Les détails atomiques 3D des alliages à moyenne et haute entropie de nouvelle génération révélés pour la première fois

Les alliages, qui sont des matériaux tels que l'acier, fabriqués en combinant deux ou plusieurs éléments métalliques, font partie des fondements de la vie contemporaine. Ils sont essentiels pour les bâtiments, les transports, les appareils électroménagers et les outils, y compris, très probablement, l'appareil que vous utilisez pour lire cette histoire. En appliquant des alliages, les ingénieurs ont été confrontés à un compromis séculaire, commun à la plupart des matériaux : les alliages durs ont tendance à être cassants et à se briser sous contrainte, tandis que ceux qui sont flexibles sous contrainte ont tendance à se déformer facilement.

Les possibilités de contourner ce compromis sont apparues il y a environ 20 ans, lorsque les chercheurs ont développé pour la première fois des alliages à moyenne et haute entropie, des matériaux stables qui combinent dureté et flexibilité d'une manière que les alliages conventionnels ne font pas. (L'« entropie » dans le nom indique à quel point le mélange des éléments dans les alliages est désordonné.)

Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par l’UCLA a fourni une vision sans précédent de la structure et des caractéristiques des alliages à entropie moyenne et élevée. À l’aide d’une technique d’imagerie avancée, l’équipe a cartographié, pour la première fois, les coordonnées atomiques tridimensionnelles de ces alliages. Dans une autre première scientifique pour n'importe quel matériau, les chercheurs ont corrélé le mélange d'éléments avec des défauts structurels. L'étude a été publiée le 20 décembre dans la revue Nature.

“Les alliages à moyenne et haute entropie avaient déjà été imagés à l'échelle atomique dans des projections 2D, mais cette étude représente la première fois que leur ordre atomique 3D est directement observé”, a déclaré l'auteur correspondant Jianwei “John” Miao, professeur de physique au UCLA College et membre du California NanoSystems Institute à UCLA. “Nous avons trouvé un nouveau bouton qui peut être tourné pour améliorer la ténacité et la flexibilité des alliages.”

Les alliages à entropie moyenne combinent trois ou quatre métaux en quantités à peu près égales ; les alliages à haute entropie en combinent cinq ou plus de la même manière. En revanche, les alliages conventionnels sont principalement constitués d’un seul métal et d’autres mélangés dans des proportions plus faibles. (L'acier inoxydable, par exemple, peut être composé aux trois quarts ou plus de fer.)

Pour comprendre les découvertes des scientifiques, pensez à un forgeron forgeant une épée. Ce travail est guidé par le fait contre-intuitif selon lequel de petits défauts structurels rendent les métaux et les alliages plus résistants. Alors que le forgeron chauffe à plusieurs reprises une barre de métal souple et flexible jusqu'à ce qu'elle brille, puis la trempe dans l'eau, des défauts structurels s'accumulent qui contribuent à transformer la barre en une épée inflexible.

Miao et ses collègues se sont concentrés sur un type de défaut structurel appelé frontière de jumelle, qui est considéré comme un facteur clé dans la combinaison unique de ténacité et de flexibilité des 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 qui l’entourent restent dans leur configuration d’origine, formant des images miroir de chaque côté de la frontière.

Les chercheurs ont utilisé toute une série de métaux pour fabriquer des nanoparticules, si petites qu’elles peuvent être mesurées en milliardièmes de mètre. Six nanoparticules d'alliage à entropie moyenne combinaient du nickel, du palladium et du platine. Quatre nanoparticules d'un alliage à haute entropie combinaient du cobalt, du nickel, du ruthénium, du rhodium, du palladium, de l'argent, de l'iridium et du platine.

Le processus de création de ces alliages ressemble à une version extrême et extrêmement rapide de la tâche du forgeron. Les scientifiques ont liquéfié le métal à plus de 2 000° Fahrenheit pendant cinq centièmes de seconde, puis l'ont refroidi en moins d'un dixième de ce temps. L’idée est de fixer l’alliage solide dans le même mélange varié d’éléments qu’un liquide. En cours de route, le choc du processus a induit des frontières jumelles dans six des dix nanoparticules ; quatre d’entre eux avaient chacun une paire de jumeaux.

L’identification des défauts a nécessité une technique d’imagerie développée par les chercheurs, appelée tomographie électronique atomique. La technique 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 peuvent être cartographiées en 3D car plusieurs images sont capturées lors de la rotation d'un échantillon. La mise au point de la tomographie électronique atomique pour cartographier les mélanges complexes de métaux a été un travail minutieux.

“Notre objectif est de trouver la vérité dans la nature, et nos mesures doivent être aussi précises que possible”, a déclaré Miao, qui est également directeur adjoint du Centre scientifique et technologique de la Fondation nationale scientifique STROBE. “Nous avons travaillé lentement, repoussant les limites pour rendre chaque étape du processus aussi parfaite que possible, puis sommes passés à l'étape suivante.”

Les scientifiques ont cartographié chaque atome dans les nanoparticules d’alliage à entropie moyenne. Certains des métaux de l’alliage à haute entropie étaient de taille trop similaire pour que la microscopie électronique puisse les différencier. Ainsi, la carte de ces nanoparticules regroupait les atomes en trois catégories.

Les chercheurs ont observé que plus les atomes de différents éléments (ou différentes catégories d'éléments) sont mélangés, plus la structure de l'alliage est susceptible de changer de manière à contribuer à faire correspondre la ténacité et la flexibilité. Les résultats pourraient éclairer la conception d’alliages à entropie moyenne et élevée avec une durabilité accrue et même débloquer des propriétés potentielles actuellement inédites dans l’acier et d’autres alliages conventionnels en concevant le mélange de certains éléments.

“Le problème avec l'étude des matériaux défectueux est qu'il faut examiner chaque défaut séparément pour vraiment savoir comment il affecte les atomes environnants”, a déclaré le co-auteur Peter Ercius, scientifique à la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Laboratory. “La tomographie électronique atomique est la seule technique offrant la résolution nécessaire pour cela. C'est tout simplement incroyable que nous puissions voir des arrangements atomiques confus à cette échelle à l'intérieur de si petits objets.”

Miao et ses collègues développent actuellement une nouvelle méthode d'imagerie qui combine la microscopie électronique atomique avec une technique permettant d'identifier la composition d'un échantillon en fonction des photons qu'il émet, afin de distinguer les métaux comportant des atomes de taille similaire.

Ils développent également des moyens d’examiner les alliages massifs à moyenne et haute entropie et de comprendre les relations fondamentales entre leurs structures et leurs propriétés.