Des chercheurs de l'Université Brown et de l'Institut de recherche sur les métaux de l'Académie chinoise des sciences ont trouvé une nouvelle façon d'utiliser des nanojumeaux - de minuscules limites linéaires dans le réseau atomique d'un métal qui ont des structures cristallines identiques de chaque côté - pour fabriquer des métaux plus résistants.

Dans un article de la revue Science , les chercheurs montrent que faire varier l'espacement entre les frontières jumelles, au lieu de maintenir un espacement constant tout au long, produit des améliorations spectaculaires de la résistance et du taux d'écrouissage d'un métal, c'est-à-dire la mesure dans laquelle un métal se renforce lorsqu'il est déformé.

Huajian Gao, un professeur à la Brown's School of Engineering qui a codirigé les travaux, affirme que la recherche pourrait pointer vers de nouvelles techniques de fabrication de matériaux haute performance.

"Ce travail traite de ce qu'on appelle un matériau dégradé, c'est-à-dire un matériau dans lequel il y a une variation progressive de sa composition interne, " a déclaré Gao. " Les matériaux dégradés sont un domaine de recherche brûlant car ils ont souvent des propriétés souhaitables par rapport aux matériaux homogènes. Dans ce cas, nous voulions voir si un gradient d'espacement des nanojumelles produisait de nouvelles propriétés."

Gao et ses collègues ont déjà montré que les nanojumeaux eux-mêmes peuvent améliorer les performances des matériaux. Cuivre nanojumelé, par exemple, s'est avéré significativement plus résistant que le cuivre standard, avec une résistance exceptionnellement élevée à la fatigue. Mais il s'agit de la première étude à tester les effets de l'espacement variable des nanojumelles.

Gao et ses collègues ont créé des échantillons de cuivre en utilisant quatre composants distincts, chacun avec un espacement différent des limites des nanojumelles. Espacements allant de 29 nanomètres entre les limites à 72 nanomètres. Les échantillons de cuivre étaient composés de différentes combinaisons des quatre composants disposés dans des ordres différents à travers l'épaisseur de l'échantillon. Les chercheurs ont ensuite testé la résistance de chaque échantillon composite, ainsi que la force de chacun des quatre composants.

Les tests ont montré que tous les composites étaient plus résistants que la résistance moyenne des quatre composants à partir desquels ils ont été fabriqués. Remarquablement, l'un des composites était en fait plus résistant que le plus résistant de ses composants.

"Pour donner une analogie, nous pensons à une chaîne comme étant seulement aussi forte que son maillon le plus faible, " dit Gao. " Mais ici, nous avons une situation dans laquelle notre chaîne est en fait plus forte que son maillon le plus fort, ce qui est vraiment assez incroyable."

D'autres tests ont montré que les composites présentaient également des taux d'écrouissage supérieurs à la moyenne de leurs composants.

Pour comprendre le mécanisme derrière ces augmentations de performances, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques de la structure atomique de leurs échantillons sous contrainte. Au niveau atomique, les métaux réagissent à la contrainte par le mouvement des dislocations, des défauts linéaires dans la structure cristalline où les atomes sont déplacés. La façon dont ces dislocations se développent et interagissent les unes avec les autres est ce qui détermine la résistance d'un métal.

Les simulations ont révélé que la densité de dislocations est beaucoup plus élevée dans le cuivre à gradient que dans un métal normal.

"Nous avons trouvé un type unique de luxation que nous appelons des faisceaux de luxations concentrées, qui conduisent à des dislocations d'un ordre de grandeur plus denses que la normale, " a déclaré Gao. " Ce type de dislocation ne se produit pas dans d'autres matériaux et c'est pourquoi ce cuivre à gradient est si fort. "

Gao a déclaré que bien que l'équipe de recherche ait utilisé du cuivre pour cette étude, les nanojumeaux peuvent également être produits dans d'autres métaux. Il est donc possible que les gradients nanojumelles améliorent les propriétés d'autres métaux.

"Nous espérons que ces résultats motiveront les gens à expérimenter des gradients jumeaux dans d'autres types de matériaux, " dit Gao.