Vous ne pouvez pas les voir, mais la plupart des métaux qui vous entourent - pièces de monnaie, argenterie, même les poutres d'acier qui soutiennent les bâtiments et les viaducs sont constituées de minuscules grains de métal. Sous un microscope assez puissant, vous pouvez voir des cristaux imbriqués qui ressemblent à un comptoir en granit.

Les scientifiques des matériaux savent depuis longtemps que les métaux se renforcent à mesure que la taille des grains qui les composent diminue, jusqu'à un certain point. Si les grains ont un diamètre inférieur à 10 nanomètres, les matériaux sont plus faibles car, on pensait, ils glissent l'un sur l'autre comme du sable glissant le long d'une dune. La résistance des métaux avait une limite.

Mais les expériences menées par l'ancien chercheur postdoctoral de l'Université de l'Utah Xiaoling Zhou, maintenant à l'Université de Princeton, professeur agrégé de géologie Lowell Miyagi, et Bin Chen au Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research à Shanghai, Chine, montrent que ce n'est pas toujours le cas - dans des échantillons de nickel avec des diamètres de grains aussi petits que 3 nanomètres, et sous hautes pressions, la résistance des échantillons a continué d'augmenter avec des tailles de grains plus petites.

Le résultat, Zhou et Miyagi disent, est une nouvelle compréhension de la façon dont les atomes individuels des grains métalliques interagissent les uns avec les autres, ainsi qu'un moyen d'utiliser cette physique pour obtenir des métaux super résistants. Leur étude, réalisée avec des collègues de l'Université de Californie, Berkeley et dans les universités chinoises, est publié dans La nature .

"Nos résultats suggèrent une stratégie possible pour fabriquer des métaux ultrarésistants, " dit Zhou. " Dans le passé, les chercheurs pensaient que la taille de grain la plus forte était d'environ 10 à 15 nanomètres. Mais maintenant, nous avons découvert que nous pouvions fabriquer des métaux plus résistants à moins de 10 nanomètres. »

Dépasser Hall-Petch

Pour la plupart des objets métalliques, Miyagi dit, les tailles des grains métalliques sont de l'ordre de quelques à quelques centaines de micromètres, environ le diamètre d'un cheveu humain. "Les couverts haut de gamme auront souvent une et plus homogène, structure de grain qui peut vous permettre d'obtenir un meilleur avantage, " il dit.

La relation précédemment comprise entre la résistance du métal et la taille des grains s'appelait la relation Hall-Petch. La résistance du métal augmente à mesure que la taille des grains diminue, selon Hall-Petch, jusqu'à une limite de 10-15 nanomètres. C'est un diamètre de seulement environ quatre à six brins d'ADN. Les tailles de grains inférieures à cette limite n'étaient tout simplement pas aussi fortes. Donc pour maximiser la force, les métallurgistes viseraient les plus petites tailles de grains efficaces.

"Le raffinement de la taille des grains est une bonne approche pour améliorer la résistance, " dit Zhou. " Donc c'était assez frustrant, autrefois, pour trouver que cette approche de raffinement de la taille des grains ne fonctionne plus en dessous d'une taille de grain critique."

L'explication de l'affaiblissement en dessous de 10 nanomètres était liée à la façon dont les surfaces des grains interagissaient. Les surfaces des grains ont une structure atomique différente de celle des intérieurs, dit Miyagi. Tant que les grains sont maintenus ensemble par la force de friction, le métal conserverait sa résistance. Mais à petites granulométries, on pensait, les grains glisseraient simplement les uns sur les autres sous tension, conduisant à un métal faible.

Les limitations techniques empêchaient auparavant les expériences directes sur les nanograins, bien que, limitant la compréhension du comportement des grains nanométriques et s'il peut encore y avoir une force inexploitée en dessous de la limite Hall-Petch. "Nous avons donc conçu notre étude pour mesurer la résistance des nanométaux, " dit Zhou.

Sous pression

Les chercheurs ont testé des échantillons de nickel, un matériau disponible dans une large gamme de tailles de nanograins, jusqu'à trois nanomètres. Leurs expériences consistaient à placer des échantillons de différentes tailles de grains sous des pressions intenses dans une cellule à enclume de diamant et à utiliser la diffraction des rayons X pour observer ce qui se passait à l'échelle nanométrique dans chaque échantillon.

"Si vous avez déjà joué avec un ressort, vous avez probablement tiré dessus assez fort pour le ruiner afin qu'il ne fasse pas ce qu'il est censé faire, " dit Miyagi. " C'est essentiellement ce que nous mesurons ici; à quel point nous pouvons pousser sur ce nickel jusqu'à ce que nous le déformions au-delà du point de pouvoir récupérer. "

La force a continué d'augmenter jusqu'à la plus petite taille de grain disponible. L'échantillon de 3 nm a résisté à une force de 4,2 gigapascals (environ la même force que dix 10, 000 livres. éléphants en équilibre sur un seul talon haut) avant de se déformer de manière irréversible. C'est dix fois plus résistant que le nickel avec une granulométrie de qualité commerciale.

Ce n'est pas que la relation Hall-Petch s'est rompue, Miyagi dit, mais que la façon dont les grains interagissaient était différente dans les conditions expérimentales. La haute pression a probablement surmonté les effets de glissement de grain.

"Si vous poussez deux grains ensemble très fort, " il dit, "Il est difficile pour eux de glisser l'un sur l'autre car le frottement entre les grains devient important, et vous pouvez supprimer ces mécanismes de glissement des joints de grains qui s'avèrent être responsables de cet affaiblissement."

Lorsque le glissement des joints de grains a été supprimé à des tailles de grains inférieures à 20 nm, les chercheurs ont observé un nouveau mécanisme de déformation à l'échelle atomique qui a entraîné un renforcement extrême dans les échantillons aux grains les plus fins.

Des possibilités ultra-fortes

Zhou dit que l'une des avancées de cette étude réside dans leur méthode pour mesurer la résistance des matériaux à l'échelle nanométrique d'une manière qui n'a jamais été faite auparavant.

Miyagi dit qu'une autre avancée est une nouvelle façon de penser au renforcement des métaux, en concevant la surface de leurs grains pour supprimer le glissement des grains.

"Nous n'avons pas beaucoup d'applications, industriellement, de choses où les pressions sont aussi élevées que dans ces expériences, mais en montrant que la pression est un moyen de supprimer la déformation des joints de grains, nous pouvons réfléchir à d'autres stratégies pour la supprimer, peut-être en utilisant des microstructures compliquées où vous avez des formes de grains qui empêchent le glissement des grains les uns par rapport aux autres."