La façon dont les métaux se déforment ou réagissent aux contraintes externes a été étudiée de manière approfondie par les métallurgistes depuis des siècles. En ce qui concerne les métaux conventionnels – les métaux cristallins avec des atomes alignés selon des motifs nets – le processus est assez bien compris. Mais pour la déformation des verres métalliques et d'autres métaux amorphes, les réponses simples restent difficiles à trouver, en particulier lorsqu'il s'agit de la manière dont les choses fonctionnent à l'échelle nanométrique.
Dans une nouvelle étude, le professeur Jan Schroers examine les particularités physiques du comportement de ces métaux à de très petites tailles – des informations qui pourraient conduire à de nouvelles façons de créer des verres métalliques. Les résultats sont publiés dans Nature Communications .
Matériaux ayant la résistance du métal mais la souplesse du plastique, les verres métalliques sont développés pour un large éventail d'applications :aérospatiale, spatial, robotique, électronique grand public, articles de sport et utilisations biomédicales.
Ces matériaux doivent leurs propriétés à leurs structures atomiques uniques :lorsque les verres métalliques refroidissent d'un liquide à un solide, leurs atomes se déposent dans un arrangement aléatoire et ne cristallisent pas comme le font les métaux traditionnels. Mais empêcher les atomes de cristalliser est délicat, et toute connaissance de leur fonctionnement pourrait grandement contribuer à une production plus efficace de verre métallique.
"Pour faire progresser la fabrication et l'utilisation des métaux amorphes, une compréhension fondamentale et complète de leur déformation dépendant de la taille et de la température est nécessaire", écrivent les auteurs de l'étude.
Au cours des dernières décennies, il a été bien établi qu'à l'échelle macroscopique, les atomes se déplacent en masse lorsqu'ils se déforment à des températures permettant l'écoulement.
"Ils se déforment de manière collective, presque comme du miel", a déclaré Schroers, professeur Robert Higgin de génie mécanique et de science des matériaux. "Vous voyez tous ces atomes se déplacer collectivement."
Mais que se passe-t-il lorsque des échantillons de taille nanométrique se déforment ? En utilisant du cuivre zirconium et d'autres échantillons de verre métallique à l'état mou, le laboratoire Schroers a décidé de le découvrir.
"Naijia Liu, l'étudiant diplômé de mon laboratoire, a créé des échantillons de plus en plus petits, et à un moment donné, il a pu montrer qu'ils ne se déforment plus de cette façon", a déclaré Schroers. Pour des tailles d'échantillon de 100 nanomètres ou moins, les choses ont commencé à s'écarter des règles standard.
Ils ont découvert qu’à cette taille, la composition chimique des échantillons ne changerait jamais si les atomes continuaient à se déplacer collectivement. Ce qui s'est passé, c'est que les atomes se sont déplacés individuellement et, à un certain moment, le métal a commencé à se déformer rapidement.
"Donc, si vous allez de plus en plus petit, alors les atomes ne circuleront plus. Ce qu'ils font, à la place, c'est voyager individuellement sur la surface."
C’est important car on sait que les atomes se déplacent plus rapidement à la surface des matériaux cristallins. Ainsi, plus l’échantillon est petit, plus la proportion de matériau se trouve sur ou à proximité d’une surface. Afin de se déformer, les atomes parcourent une distance supplémentaire en utilisant un chemin de surface si rapide qu'il permet une déformation générale plus rapide. C'est un aperçu d'un domaine de la physique qui laisse encore de nombreuses questions sans réponse.
"Nous savons essentiellement tout sur les cristaux et nous savons essentiellement tout sur les gaz", a déclaré Schroers. "Mais dans la communauté scientifique, on ne connaît pas bien l'état liquide. Les choses bougent trop vite, donc les méthodes d'observation sont remises en cause et comme l'ordre dans un liquide n'est pas périodique, on ne peut pas réduire le problème à une unité plus petite." ."
Le laboratoire de Schroers se concentre actuellement sur les alliages les plus prometteurs pour créer des verres métalliques grâce à cette méthode. "L'alliage doit comprendre des éléments similaires, mais pas trop similaires, sinon le gabarit sur lequel ils poussent ne peut pas être transformé en verre", a déclaré Schroers.
Outre l'impact scientifique de leurs nouvelles découvertes, a déclaré Schroers, l'étude a une importance sur le plan technologique. Au lieu de la technique actuelle consistant à éviter la cristallisation grâce à un refroidissement très rapide, ces résultats offrent aux chercheurs une nouvelle méthode pour faire croître lentement des matériaux métastables. Ces matériaux incluent des verres métalliques et même d'autres qu'il n'était pas possible de fabriquer auparavant avec d'autres techniques.
Plus d'informations : Naijia Liu et al, Comportement de déformation dépendant de la taille dans les métaux amorphes de taille nanométrique suggérant une transition du transport atomique collectif au transport atomique individuel, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-41582-2
Fourni par l'Université de Yale
