Un intermédiaire rare et déroutant entre le cristal et le verre peut être l'agencement le plus stable pour certaines combinaisons d'atomes, selon une étude de l'Université du Michigan.
Les résultats proviennent des premières simulations quantiques-mécaniques des quasi-cristaux – un type de solide que les scientifiques pensaient que les scientifiques ne pourraient pas exister. Alors que les atomes dans les quasi-cristaux sont disposés dans un réseau, comme dans un cristal, le schéma des atomes ne se répète pas comme il le fait dans les cristaux conventionnels. La nouvelle méthode de simulation suggère que les quasi-cristaux – comme les cristaux – sont des matériaux fondamentalement stables, malgré leur similitude avec les solides désordonnés comme le verre qui se forment en raison d'un chauffage et d'un refroidissement rapides.
« Nous devons savoir comment organiser des atomes en structures spécifiques si nous voulons concevoir des matériaux avec les propriétés souhaitées », a déclaré Wenhao Sun, professeur adjoint de la science et de l'ingénierie des matériaux, et l'auteur correspondant du journal publié aujourd'hui Physique de la nature. « Les quasi-cristaux nous ont forcés à repenser comment et pourquoi certains matériaux peuvent se former. Jusqu'à notre étude, il n'était pas clair pour les scientifiques pourquoi ils existaient. »
Les quasi-cristaux semblaient défier la physique lorsqu'ils ont été décrits pour la première fois par le scientifique israélien Daniel Shechtman en 1984. Tout en expérimentant des alliages d'aluminium et de manganèse, Shechtman s'est rendu compte que certains des atomes de métaux étaient disposés dans une structure icosaédrique ressemblant à de nombreux disques à 20 côtés rejoints à leurs faces. Cette forme a donné au matériau une symétrie cinq fois – identique à partir de cinq points de vue différents.
Les scientifiques de l'époque pensaient que les atomes à l'intérieur des cristaux ne pouvaient être disposés que dans des séquences se répétant dans chaque direction, mais la symétrie cinq fois a empêché de tels motifs. Shechtman a d'abord fait face à un examen minutieux pour avoir suggéré l'impossible, mais d'autres laboratoires ont produit plus tard leurs propres quasi-cristaux et les ont trouvés dans des météorites de milliards de dollars.
Shechtman a finalement obtenu le prix Nobel de chimie en 2011 pour sa découverte, mais les scientifiques n'ont toujours pas pu répondre aux questions fondamentales sur la façon dont les quasi-cristaux se sont formés. Le barrage routier était cette théorie fonctionnelle de la densité – la méthode quantique-mécanique pour calculer la stabilité d'un cristal – les lies sur les modèles qui se répètent infiniment dans une séquence, qui manquent les quasi-cristaux.
« La première étape pour comprendre un matériel est de savoir ce qui le rend stable, mais il a été difficile de dire comment les quasi-cristaux ont été stabilisés », a déclaré Woohyeon Baek, un doctorant UM en science et ingénierie des matériaux et le premier auteur de l'étude.
Les atomes de tout matériau donné s'organisent généralement en cristaux afin que les liaisons chimiques atteignent l'énergie la plus faible possible. Les scientifiques appellent de telles structures des cristaux stabilisés par l'enthalpie. Mais d'autres matériaux se forment parce qu'ils ont une entropie élevée, ce qui signifie qu'il existe de nombreuses façons différentes pour que ses atomes soient organisés ou vibrés.
Le verre est un exemple de solide stabilisé à l'entropie. Il se forme lorsque la silice fondue se refroidit rapidement, congelant les atomes en une forme sans motif. Mais si les taux de refroidissement lents ou une base est ajoutée à la silice chauffée, les atomes peuvent organiser des cristaux de quartz – l'état d'énergie le plus bas préféré à température ambiante.
Les quasi-cristaux sont un intermédiaire déroutant entre le verre et le cristal. Ils ont ordonné localement des arrangements atomiques comme des cristaux, mais comme le verre, ils ne forment pas de motifs à long terme et répétitifs.
Pour déterminer si les quascristaux sont stabilisés par l'enthalpie ou l'entropie, la méthode du chercheur sort des nanoparticules plus petites à partir d'un plus grand bloc simulé de quascristal. Les chercheurs calculent ensuite l'énergie totale dans chaque nanoparticule, ce qui ne nécessite pas de séquence infinie car la particule a défini les limites.
Étant donné que l'énergie dans une nanoparticule est liée à son volume et à sa surface, la répétition des calculs pour les nanoparticules de tailles croissantes permet aux chercheurs d'extrapoler l'énergie totale à l'intérieur d'un plus grand bloc de quascristal. Avec cette méthode, les chercheurs ont découvert que deux quasi-cristaux bien étudiés sont stabilisés par l'enthalpie. L'un est un alliage de scandium et de zinc, l'autre de Ytterbium et Cadmium.
Les estimations les plus précises de l'énergie quasi-cristal nécessitent les plus grandes particules possibles, mais la mise à l'échelle des nanoparticules est difficile avec des algorithmes standard. Pour les nanoparticules avec seulement des centaines d'atomes, le doublement des atomes augmente le temps de calcul en huit. Mais les chercheurs ont également trouvé une solution pour le goulot d'étranglement informatique.
« Dans les algorithmes conventionnels, chaque processeur informatique doit communiquer entre eux, mais notre algorithme est jusqu'à 100 fois plus rapide car seuls les processeurs voisins communiquent, et nous utilisons efficacement l'accélération GPU dans les supercomputeurs », a déclaré le co-auteur de l'étude Vikram Gavini, un professeur UM de génie mécanique et de science des matériaux.
« Nous pouvons désormais simuler du verre et des matériaux amorphes, des interfaces entre différents cristaux, ainsi que des défauts cristallins qui peuvent permettre des bits informatiques quantiques. »
