Des forgerons aux lignes de lumière : les révélations atomiques 3D transforment l'ingénierie des alliages

par Hiroshi Tanaka
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Alloy Engineering

Les recherches révolutionnaires menées par des scientifiques de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont marqué le début d’une nouvelle ère dans l’ingénierie des alliages. Cette étude pionnière marque la toute première cartographie tridimensionnelle d’alliages à moyenne et haute entropie, un développement qui a le potentiel de révolutionner le domaine en améliorant la ténacité et la flexibilité de ces matériaux.

Les alliages, comme l'acier, résultant de la combinaison de deux ou plusieurs éléments métalliques, jouent un rôle fondamental dans la vie moderne. Ils sont essentiels à la construction de bâtiments, aux moyens de transport, aux appareils électroménagers et aux outils, y compris l'appareil même que vous utilisez pour accéder à ces informations. Les ingénieurs sont depuis longtemps aux prises avec un compromis classique en matière de matériaux : les alliages durs ont tendance à être cassants et sujets à la rupture sous contrainte, tandis que les alliages flexibles sont susceptibles de se bosseler.

Il y a environ vingt ans, la possibilité de contourner ce compromis est apparue avec le développement d’alliages à moyenne et haute entropie. Ces nouveaux matériaux offrent un mélange unique de dureté et de flexibilité que l'on ne trouve pas dans les alliages traditionnels. Le terme « entropie » dans leur nom désigne le niveau de désordre dans le mélange d’éléments au sein de ces alliages.

Dans un exploit révolutionnaire, une équipe de recherche dirigée par l'UCLA a fourni un aperçu sans précédent de la structure et des caractéristiques des alliages à entropie moyenne et élevée. En tirant parti de techniques d’imagerie avancées, ils ont réalisé la toute première cartographie tridimensionnelle des coordonnées atomiques au sein de ces alliages. De plus, ils ont réussi à corréler le mélange d’éléments avec des défauts structurels, une avancée scientifique dans la science des matériaux.

Les alliages à entropie moyenne combinent trois ou quatre métaux dans des proportions à peu près égales, tandis que les alliages à entropie élevée combinent cinq métaux ou plus de la même manière. Cela contraste fortement avec les alliages conventionnels, qui sont principalement composés d’un métal avec d’autres éléments présents dans des proportions plus faibles. Pour illustrer l’importance de la recherche, considérons un forgeron forgeant une épée. Étonnamment, de petits défauts structurels rendent les métaux et alliages plus résistants. Alors que le forgeron chauffe à plusieurs reprises une barre de métal malléable jusqu'à ce qu'elle brille, puis la refroidit rapidement, les défauts structurels s'accumulent, transformant la barre en une épée robuste.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur un type particulier de défaut structurel appelé frontière de jumelle, connu pour être un facteur crucial dans la combinaison exceptionnelle de ténacité et de flexibilité présentée par les alliages à entropie moyenne et élevée. Le jumelage se produit lorsque la contrainte provoque la courbure diagonale d’une section d’une matrice cristalline tandis que les atomes environnants conservent leur disposition d’origine, ce qui entraîne des images miroir de chaque côté de la frontière.

La création de ces alliages innovants impliquait un processus extraordinaire et rapide rappelant le métier de forgeron. Les scientifiques ont fait fondre le métal à des températures supérieures à 2 000 degrés Fahrenheit pendant une fraction de seconde, puis l'ont rapidement refroidi. L’objectif était de solidifier l’alliage avec le même mélange diversifié d’éléments qu’à l’état liquide. Ce processus a induit des limites de jumeaux dans six nanoparticules sur dix, quatre d'entre elles ayant chacune une paire de jumeaux.

L'identification de ces défauts a nécessité le développement d'une technique d'imagerie spécialisée appelée tomographie électronique atomique, qui utilise des électrons car les détails au niveau atomique sont beaucoup plus petits que les longueurs d'onde de la lumière visible. Les données résultantes ont été cartographiées en trois dimensions en capturant plusieurs images lors de la rotation de l’échantillon. Ajuster la tomographie électronique atomique pour gérer les mélanges complexes de métaux a été un effort méticuleux.

Les chercheurs ont méticuleusement cartographié chaque atome au sein des nanoparticules d’alliage à entropie moyenne. Cependant, certains des métaux de l’alliage à haute entropie étaient si similaires en taille que la microscopie électronique ne pouvait pas les distinguer. Par conséquent, la carte de ces nanoparticules regroupait les atomes en trois catégories.

Les résultats de la recherche ont révélé que plus les atomes de différents éléments (ou catégories d'éléments) sont mélangés, plus la probabilité que la structure de l'alliage change de manière à améliorer sa ténacité et sa flexibilité est grande. Ces découvertes ont le potentiel d’éclairer la conception d’alliages à moyenne et haute entropie, en leur conférant une durabilité accrue et en révélant des propriétés non encore réalisées dans les aciers et alliages traditionnels grâce à l’ingénierie stratégique des mélanges d’éléments.

L'étude des matériaux défectueux nécessite généralement l'examen de chaque défaut individuel pour comprendre son impact sur les atomes environnants. La tomographie électronique atomique est la seule technique possédant la résolution nécessaire pour y parvenir. La capacité d’observer des arrangements atomiques complexes au sein d’objets aussi minuscules est vraiment remarquable.

Pour développer leurs recherches, Miao et ses collègues développent actuellement une nouvelle méthode d'imagerie qui combine la microscopie électronique atomique avec une technique d'identification de la composition d'un échantillon basée sur les photons émis. Cela permettra de différencier des métaux comportant des atomes de tailles similaires. De plus, ils travaillent sur les moyens d’étudier les alliages à entropie moyenne et élevée et de découvrir les relations fondamentales entre leurs structures et leurs propriétés.

Cette étude révolutionnaire a été publiée dans la prestigieuse revue Nature le 20 décembre 2023. Elle a été rendue possible grâce au soutien du ministère américain de l'Énergie et menée à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab, également parrainée par le DOE. Les co-premiers auteurs de l'étude sont Saman Moniri, un ancien chercheur postdoctoral de l'UCLA ; Yao Yang, qui a obtenu un doctorat de l'UCLA en 2021 ; et Jun Ding de l'Université Xi'an Jiaotong en Chine. Parmi les autres co-auteurs figurent Yuxuan Liao, chercheur postdoctoral à l'UCLA ; Yakun Yuan, Jihan Zhou, Long Yang et Fan Zhu, anciens chercheurs postdoctoraux de l'UCLA ; et Yonggang Yao et Liangbing Hu de l'Université du Maryland, College Park.

Foire aux questions (FAQ) sur l'ingénierie des alliages

Quelle est l’importance de cette recherche de l’UCLA sur les alliages ?

Cette recherche de l'UCLA est révolutionnaire car elle marque la toute première cartographie tridimensionnelle d'alliages à moyenne et haute entropie, offrant un aperçu de leurs propriétés uniques.

Que sont les alliages à moyenne et haute entropie ?

Les alliages à entropie moyenne combinent trois ou quatre métaux en quantités à peu près égales, tandis que les alliages à haute entropie combinent cinq métaux ou plus de la même manière, ce qui diffère des alliages conventionnels.

Quel est l’impact de cette recherche sur l’ingénierie des alliages ?

En révélant la structure atomique et les défauts de ces alliages, la recherche ouvre la porte à la conception d’alliages plus résistants et plus flexibles, révolutionnant potentiellement l’ingénierie des matériaux.

Quel est le rôle des joints jumeaux dans ces alliages ?

Les frontières jumelles sont des défauts structurels cruciaux pour la combinaison exceptionnelle de ténacité et de flexibilité observée dans les alliages à entropie moyenne et élevée.

Qu’est-ce que la tomographie électronique atomique et pourquoi est-elle importante ?

La tomographie électronique atomique est une technique d'imagerie utilisée pour identifier les défauts au niveau atomique, ce qui la rend cruciale pour comprendre comment les défauts affectent les atomes environnants dans les matériaux.

Quelles sont les orientations futures de cette recherche ?

Les chercheurs développent de nouvelles méthodes d’imagerie pour différencier les métaux ayant des atomes de taille similaire et pour explorer les relations fondamentales entre les structures et les propriétés des alliages.

En savoir plus sur l’ingénierie des alliages

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5 commentaires

GrammaireNerd décembre 20, 2023 - 11:02 pm

Excellent contenu mais pourrait nécessiter une vérification orthographique, les amis ! C'est « incroyable » et non « incroyable ». _xD83D__xDE09_

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Assistant d'ingénierie décembre 21, 2023 - 1:53 am

Incroyable ! Alerte qui change la donne en alliage ! Cette recherche ouvre la porte à des matériaux ultra-résistants.

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Évaluateur123 décembre 21, 2023 - 7:12 am

woah, c'est un truc d'alliage complètement fou, comme la science-fiction rencontre la forge. la technologie est incroyable.

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ScienceGeek27 décembre 21, 2023 - 11:32 am

Cartographie atomique 3D – super cool ! Ces alliages sont sans aucun doute l’avenir.

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NewsJunkie décembre 21, 2023 - 1:45 pm

L'UCLA fait des recherches scientifiques approfondies, et c'est comme si les alliages étaient devenus fous. J'ai hâte de voir où cela mène !

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