Un laser comprimant un cristal d’aluminium permet de mieux visualiser la déformation plastique d’un matériau, ce qui pourrait conduire à la conception de matériaux de fusion nucléaire et de boucliers spatiaux plus résistants.
Imaginez que vous laissiez tomber une balle de tennis sur le matelas d’une chambre à coucher. La balle de tennis déforme un peu le matelas, mais pas de façon permanente. Si vous ramassez la balle, le matelas retrouve sa position et sa résistance initiales. Les scientifiques appellent cela un état élastique.
En revanche, si vous laissez tomber quelque chose de lourd – comme un réfrigérateur – la force pousse le matelas dans ce que les scientifiques appellent un état plastique. L’état plastique, dans ce sens, n’est pas le même que le pot à lait en plastique de votre réfrigérateur, mais plutôt un réarrangement permanent de la structure atomique d’un matériau. Lorsque vous retirez le réfrigérateur, le matelas est comprimé et, pour le moins, inconfortable.
Mais le changement élastique-plastique d’un matériau ne concerne pas seulement le confort du matelas. Comprendre ce qui arrive à un matériau au niveau atomique lorsqu’il passe de l’état élastique à l’état plastique sous de fortes pressions pourrait permettre aux scientifiques de concevoir des matériaux plus résistants pour les vaisseaux spatiaux et les expériences de fusion nucléaire.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pas réussi à capturer des images claires de la transformation d’un matériau en matière plastique, ce qui les a empêchés de savoir ce que font les atomes microscopiques lorsqu’ils décident de quitter leur confortable état élastique pour entrer dans le monde plastique.
Des scientifiques du laboratoire national d’accélération SLAC du ministère de l’énergie ont pris des photos haute résolution d’un minuscule monocristal d’aluminium alors qu’il passait pour la première fois de l’état élastique à l’état plastique. Ces images permettront aux scientifiques de prédire le comportement d’un matériau lors de sa transformation plastique dans les cinq trillionièmes de seconde suivant l’apparition du phénomène. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Communications.
Le dernier souffle d’un cristal
Les scientifiques devaient appliquer une force sur l’échantillon de cristal d’aluminium afin de prendre des images, et un réfrigérateur était évidemment trop grand. A la place, ils ont utilisé un laser à haute énergie pour marteler le cristal suffisamment fort pour le faire passer de l’état élastique à l’état plastique.
Les scientifiques ont utilisé la “caméra électronique” rapide du SLAC, ou l’instrument de diffraction ultrarapide des électrons en mégaélectronvolts (MeV-UED) pour envoyer un faisceau d’électrons à haute énergie à travers le cristal pendant que le laser produisait des ondes de choc qui le comprimaient. La diffusion de ce faisceau d’électrons sur les noyaux d’aluminium et les électrons du cristal a permis aux scientifiques de déterminer avec précision la structure atomique. Pendant que le laser comprimait l’échantillon, les scientifiques ont pris plusieurs clichés, ce qui a donné une sorte de flip-book – un film en stop-motion de la danse du cristal dans la plasticité.
Plus précisément, les instantanés à haute résolution ont montré aux scientifiques quand et comment des défauts linéaires sont apparus dans l’échantillon – le premier signe qu’un matériau a été soumis à une force trop importante pour être récupérée.
Les défauts linéaires sont comme les cordes cassées d’une raquette de tennis. Par exemple, si vous utilisez votre raquette de tennis pour frapper légèrement une balle de tennis, les cordes de votre raquette vibrent un peu, mais reviennent à leur position initiale. En revanche, si vous frappez une balle de bowling avec votre raquette, les cordes vont se déformer et ne pourront plus rebondir. De même, lorsque le laser à haute énergie a frappé l’échantillon de cristal d’aluminium, certaines rangées d’atomes du cristal se sont déplacées. Le suivi de ces déplacements – les défauts de ligne – à l’aide de la caméra électronique de MeV-UED a montré le parcours élastique-plastique du cristal.
Les scientifiques disposent désormais d’images à haute résolution de ces défauts linéaires, qui révèlent la vitesse de croissance des défauts et la façon dont ils se déplacent une fois qu’ils sont apparus, a déclaré Mianzhen Mo, scientifique au SLAC.
“La compréhension de la dynamique de la déformation plastique permettra aux scientifiques d’ajouter des défauts artificiels à la structure réticulaire d’un matériau”, a déclaré Mo. “Ces défauts artificiels peuvent constituer une barrière protectrice pour empêcher les matériaux de se déformer à des pressions élevées dans des environnements extrêmes.”
L’heure de gloire de l’UED
La clé des images rapides et claires des expérimentateurs a été les électrons à haute énergie de MeV-UED, qui ont permis à l’équipe de prendre des images d’échantillons toutes les demi-secondes.
“La plupart des gens utilisent des énergies d’électrons relativement faibles dans les expériences UED, mais nous utilisons des électrons 100 fois plus énergétiques dans notre expérience”, a déclaré Xijie Wang, un scientifique distingué au SLAC. “À haute énergie, vous obtenez plus de particules dans une impulsion plus courte, ce qui fournit…Des images tridimensionnelles d’excellente qualité et une image plus complète du processus.”
Les chercheurs espèrent appliquer leur nouvelle compréhension de la plasticité à diverses applications scientifiques, comme le renforcement des matériaux utilisés dans les expériences de fusion nucléaire à haute température. Il est urgent de mieux comprendre les réactions des matériaux dans des environnements extrêmes afin de prévoir leurs performances dans un futur réacteur de fusion, a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la science de la haute densité énergétique.
“Le succès de cette étude devrait motiver la mise en œuvre de puissances laser plus élevées pour tester une plus grande variété de matériaux importants”, a déclaré Glenzer.
L’équipe souhaite tester des matériaux pour des expériences qui seront réalisées dans le tokamak ITER, une installation qui espère être la première à produire une énergie de fusion durable.
MeV-UED est un instrument de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), exploitée par SLAC pour le compte du DOE Office of Science. Une partie de la recherche a été effectuée au Center for Integrated Nanotechnologies du Los Alamos National Laboratory, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Le soutien a été fourni par le DOE Office of Science, en partie par le biais du programme Laboratory Directed Research and Development de SLAC.
Référence : “Ultrafast visualization of incipient plasticity in dynamically compressed matter” par Mianzhen Mo, Minxue Tang, Zhijiang Chen, J. Ryan Peterson, Xiaozhe Shen, John Kevin Baldwin, Mungo Frost, Mike Kozina, Alexander Reid, Yongqiang Wang, Juncheng E, Adrien Descamps, Benjamin K. Ofori-Okai, Renkai Li, Sheng-Nian Luo, Xijie Wang et Siegfried Glenzer, 25 février 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28684-z
