Ressusciter des quasi-cristaux : un phénomène d’auto-guérison rend un matériau exotique commercialement viable

Birdseye Crystal
Cristal piqué

Une visualisation par tomographie aux rayons X montre une vue de haut en bas de deux quasi-cristaux lorsqu’ils commencent à se fondre pendant le refroidissement. Crédit : Shahani Group, Université du Michigan

Le phénomène d’auto-guérison pourrait réduire les défauts qui rendaient les quasi-cristaux impraticables.

Une classe de matériaux qui semblait autrefois pouvoir tout révolutionner, des cellules solaires aux poêles à frire – mais qui est tombée en disgrâce au début des années 2000 – pourrait être prête pour une résurrection commerciale, suggèrent les conclusions d’une équipe de recherche dirigée par l’Université du Michigan.

Publié dans Communication Nature, l’étude démontre un moyen de fabriquer des quasi-cristaux beaucoup plus gros qu’auparavant, sans les défauts qui affligeaient les fabricants passés et conduisaient à rejeter les quasi-cristaux comme une curiosité intellectuelle.

Deux quasi-cristaux se fondent

Une visualisation par tomographie aux rayons X montre une vue latérale de deux quasicristaux alors qu’ils commencent à se fondre pendant le refroidissement. Crédit : Shahani Group, Université du Michigan

“L’une des raisons pour lesquelles l’industrie a abandonné les quasi-cristaux est qu’ils sont pleins de défauts”, a déclaré Ashwin Shahani, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux et de génie chimique à l’UM et auteur correspondant de l’article. « Mais nous espérons ramener les quasi-cristaux dans le courant dominant. Et ce travail laisse entendre que cela peut être fait.

Les quasi-cristaux, qui ont la structure ordonnée mais pas les motifs répétitifs des cristaux ordinaires, peuvent être fabriqués avec une gamme de propriétés séduisantes. Ils peuvent être ultra durs ou super glissants. Ils peuvent absorber la chaleur et la lumière de manière inhabituelle et présenter des propriétés électriques exotiques, parmi une foule d’autres possibilités.

Mais les fabricants qui ont commercialisé le matériau pour la première fois ont rapidement découvert un problème : de minuscules fissures entre les cristaux, appelées joints de grains, qui invitent à la corrosion, rendant les quasi-cristaux susceptibles de se rompre. Depuis lors, le développement commercial des quasi-cristaux a été en grande partie suspendu.

Mais de nouvelles découvertes de l’équipe de Shahani montrent que, dans certaines conditions, de petits quasicristaux peuvent entrer en collision et fusionner, formant un seul grand cristal sans aucune des imperfections de joint de grain trouvées dans les groupes de cristaux plus petits. Shahani explique que le phénomène a été une surprise lors d’une expérience conçue pour observer la formation du matériau.

“Il semble que les cristaux se guérissent d’eux-mêmes après la collision, transformant un type de défaut en un autre type qui finit par disparaître complètement”, a-t-il déclaré. “C’est extraordinaire, étant donné que les quasi-cristaux manquent de périodicité.”

Les cristaux commencent comme des solides en forme de crayon mesurant une fraction de millimètre, suspendus dans un mélange fondu d’aluminium, de cobalt et de nickel, que l’équipe peut observer en temps réel et en 3D à l’aide de la tomographie aux rayons X. Au fur et à mesure que le mélange refroidit, les minuscules cristaux entrent en collision les uns avec les autres et se fusionnent, se transformant finalement en un seul grand quasi-cristal plusieurs fois plus gros que les quasi-cristaux constitutifs.

Après avoir observé le processus au Laboratoire national d’Argonne, l’équipe l’a reproduit virtuellement avec des simulations informatiques. En exécutant chaque simulation dans des conditions légèrement différentes, ils ont pu identifier les conditions exactes dans lesquelles les minuscules cristaux se fondront en de plus gros. Ils ont découvert, par exemple, que les minuscules cristaux ressemblant à des crayons doivent se faire face dans une certaine plage d’alignement pour entrer en collision et fusionner. Les simulations ont été menées dans le laboratoire de Sharon Glotzer, professeur d’ingénierie distingué de l’Université John Werner Cahn et auteur correspondant de l’article.

“C’est passionnant quand les expériences et les simulations peuvent observer les mêmes phénomènes se produisant sur la même durée et les mêmes échelles de temps”, a déclaré Glotzer. “Les simulations peuvent voir des détails du processus de cristallisation que les expériences ne peuvent pas tout à fait voir, et vice versa, de sorte que ce n’est qu’ensemble que nous pouvons comprendre pleinement ce qui se passe.”

Bien que la commercialisation de la technologie soit probablement dans des années, les données de simulation pourraient finalement s’avérer utiles pour développer un processus permettant de produire efficacement de grands quasi-cristaux en quantités à l’échelle de la production. Shahani anticipe l’utilisation du frittage, un procédé industriel bien connu où les matériaux sont fusionnés en utilisant la chaleur et la pression. C’est un objectif lointain, mais Shahani dit que la nouvelle étude ouvre une nouvelle voie de recherche qui pourrait un jour y arriver.

Pour l’instant, Shahani et Glotzer travaillent ensemble pour mieux comprendre les défauts des quasi-cristaux, y compris la façon dont ils se forment, se déplacent et évoluent.

Référence : « Formation of a Single Quasicrystal Upon Collision of Multiple Grains » par Insung Han, Kelly L. Wang, Andrew T. Cadotte, Zhucong Xi, Hadi Parsamehr, Xianghui Xiao, Sharon C. Glotzer et Ashwin J. Shahani, 11 octobre 2021 , Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26070-9

L’équipe de recherche comprend également le Brookhaven National Laboratory. La recherche a été soutenue par le département américain de l’Énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Science, numéro de récompense DE-SC0019118.

Glotzer est également le directeur du département de génie chimique Anthony C. Lembke, le professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique et professeur de science et d’ingénierie des matériaux et de science et d’ingénierie macromoléculaires.

Articles connexes