Les humains refroidissent des mélanges métalliques de liquide à solide depuis des milliers d'années. Mais étonnamment, on ne sait pas grand-chose sur ce qui se passe exactement pendant le processus de solidification. La solidification des eutectiques est particulièrement surprenante, qui sont des mélanges de deux ou plusieurs phases solides.

Ashwin Shahani, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Michigan, travaille à résoudre le mystère de la solidification eutectique, et ses recherches ont révélé un univers complexe et magnifique de tiges nanométriques, feuilles et spirales qui se forment spontanément lors du refroidissement des alliages métalliques.

Nous nous sommes assis récemment pour parler avec lui de son dernier article, "Cristallisation en plusieurs étapes d'eutectiques spiralés auto-organisés, " et comment cela pourrait conduire à une nouvelle génération d'alliages légers et de produits optiques aux propriétés supérieures aux matériaux monolithiques.

Qu'est-ce qui vous a motivé à étudier la solidification des métaux ?

Je pense que c'est l'un des exploits les plus remarquables de la nature. Comment ces motifs élaborés peuvent-ils se former spontanément à partir d'un liquide désordonné ? Pourquoi la nature choisit-elle un modèle ou une configuration plutôt qu'un autre ? Il s'agit en grande partie d'une simple curiosité innée et de la joie de la partager avec mes élèves.

Pourquoi est-il important de comprendre comment se forment ces structures nanométriques ?

La structure nanométrique d'un matériau modifie ses propriétés. Donc, si nous pouvons comprendre pourquoi une structure donnée se forme, nous pouvons concevoir un processus de fabrication pour le recréer, ou même le modifier pour intégrer les propriétés spécifiques que nous voulons. Nous pouvons fabriquer des matériaux plus légers, ou plus fort, ou qui courbent la lumière d'une certaine manière, par exemple.

A quoi pourraient servir ces nouveaux matériaux ?

Un matériau qui courbe la lumière d'une certaine manière pourrait être utilisé pour fabriquer un revêtement d'invisibilité. Vous pouvez concevoir une seule feuille de métal dont les propriétés diffèrent le long de sa surface, par exemple une aile d'avion plus solide à certains endroits et plus légère à d'autres. Vous pourriez fabriquer des composants automobiles plus légers et plus économes en carburant. Les possibilités sont à peu près infinies.

Pourquoi ne pouvons-nous pas fabriquer ces matériaux en utilisant les méthodes de fabrication existantes ?

Nous pouvons, mais c'est extrêmement difficile et prend du temps. Si nous voulons fabriquer un motif en spirale à l'échelle nanométrique, par exemple, nous devons utiliser la lithographie pour imprimer chaque minuscule spirale. Ce n'est pas pratique pour la fabrication à grande échelle. Mais que se passerait-il si vous pouviez faire en sorte que ces spirales s'auto-assemblent simplement en refroidissant le liquide différemment ou en modifiant légèrement son mélange de métaux ? Cela rendrait le processus beaucoup plus rapide et plus évolutif.

Si les humains utilisent la solidification depuis si longtemps, pourquoi quelqu'un n'a-t-il pas déjà compris cela?

Parce que dans le passé, ce type de recherche consistait à sectionner un matériau déjà solidifié et à le regarder au microscope. Et cela vous donne une vue très limitée de la façon dont la solidification se produit.

Nous utilisons une combinaison unique de technologies d'imagerie multiéchelle et multimodale pour créer une image en 3D de ce qui se passe en temps réel pendant le processus de solidification. Cela implique de combiner de nombreuses techniques d'imagerie différentes qui peuvent nous donner une image cohérente de l'échelle du micromètre jusqu'aux atomes individuels.

Quels sont certains des défis liés à la combinaison de toutes ces technologies ?

L'un des plus grands défis est que les images 3D haute résolution sont tellement gourmandes en données. Cela en fait un défi de Big Data ainsi qu'un défi de science des matériaux. Évidemment, juste avoir un haut niveau de puissance de calcul est important, mais nous avons également introduit de nouvelles stratégies. Par exemple, nous avons commencé à utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour analyser nos données et trouver des éléments remarquables.

Quelle est la prochaine étape de cette recherche?

La plupart des matériaux d'ingénierie se composent non seulement de deux composants, mais d'un cocktail d'éléments. Alors maintenant, nous examinons comment la chimie affecte le processus de solidification. Si j'ajoute une petite quantité d'un autre métal au mélange fondu, Comment cela change-t-il les structures nanométriques qui se forment ? C'est un pas de plus vers la compréhension et le contrôle ultime de ces structures.