Depuis des décennies, on sait que des motifs chimiques subtils existent dans les alliages métalliques, mais les chercheurs pensaient qu'ils étaient trop mineurs pour avoir de l'importance ou qu'ils étaient effacés lors de la fabrication. Cependant, des études récentes ont montré qu'en laboratoire, ces modèles peuvent modifier les propriétés d'un métal, notamment sa résistance mécanique, sa durabilité, sa capacité thermique, sa tolérance aux radiations, etc.
Des chercheurs du MIT ont découvert que ces modèles chimiques existent également dans les métaux fabriqués de manière conventionnelle. Cette découverte surprenante a révélé un nouveau phénomène physique qui explique les schémas persistants.
Dans un article publié dans Communications naturelles aujourd'hui, les chercheurs décrivent comment ils ont suivi ces modèles et découvert la physique qui les explique. Les auteurs ont également développé un modèle simple pour prédire les modèles chimiques dans les métaux et montrent comment les ingénieurs pourraient utiliser le modèle pour ajuster l'effet de ces modèles sur les propriétés métalliques, pour une utilisation dans l'aérospatiale, les semi-conducteurs, les réacteurs nucléaires, etc.
« La conclusion est la suivante : vous ne pouvez jamais rendre complètement aléatoires les atomes d'un métal. La manière dont vous le traitez n'a pas d'importance », explique Freitas. « Il s'agit du premier article montrant ces états de non-équilibre retenus dans le métal. À l'heure actuelle, cet ordre chimique n'est pas quelque chose que nous contrôlons ou auquel nous prêtons attention lorsque nous fabriquons des métaux. »
Pour Freitas, un chercheur en début de carrière, les résultats justifient l’exploration d’un domaine encombré qui, selon lui, peu de gens pensaient qu’il mènerait à des résultats uniques ou ayant un impact considérable. Il attribue l'effort de collaboration qui a permis l'article, qui présente trois doctorants du MIT. étudiants en tant que co-premiers auteurs : Mahmudul Islam, Yifan Cao et Killian Sheriff.
« La question s'est posée de savoir si je devais m'attaquer à ce problème spécifique, car les gens y travaillent depuis longtemps », explique Freitas. « Mais plus j'en apprenais, plus je voyais que les chercheurs y réfléchissaient dans des scénarios de laboratoire idéalisés.
« Nous voulions effectuer des simulations aussi réalistes que possible pour reproduire ces processus de fabrication avec une haute fidélité. Ce que je préfère dans ce projet, c'est le manque d'intuitivité des résultats. Le fait qu'on ne puisse pas mélanger complètement quelque chose, les gens ne l'ont pas vu venir. »
Des surprises aux théories
L'équipe de recherche de Freitas a commencé par une question pratique : à quelle vitesse les éléments chimiques se mélangent-ils lors du traitement des métaux ? La sagesse conventionnelle veut qu'il existe un point où la composition chimique des métaux devient complètement uniforme suite au mélange pendant la fabrication.
En trouvant ce point, les chercheurs ont pensé pouvoir développer un moyen simple de concevoir des alliages avec différents niveaux d’ordre atomique, également appelé ordre à courte portée.
Les chercheurs ont utilisé des techniques d’apprentissage automatique pour suivre des millions d’atomes alors qu’ils se déplaçaient et se réorganisaient dans des conditions imitant le traitement des métaux.
« La première chose que nous avons faite a été de déformer un morceau de métal », explique Freitas. « C'est une étape courante lors de la fabrication : vous roulez le métal, vous le déformez, vous le réchauffez à nouveau et le déformez un peu plus, afin qu'il développe la structure souhaitée. Nous l'avons fait et nous avons suivi l'ordre chimique. L'idée était que lorsque vous déformez le matériau, ses liaisons chimiques sont rompues, ce qui rend le système aléatoire. Ces processus de fabrication violents mélangent essentiellement les atomes. «
Les chercheurs se sont heurtés à un problème lors du processus de mélange : les alliages n’ont jamais atteint un état totalement aléatoire. Ce fut une surprise, car aucun mécanisme physique connu ne pouvait expliquer ce résultat.
« Cela a mis en lumière une nouvelle étape de la physique des métaux », écrivent les chercheurs dans le journal. « C'était l'un de ces cas où la recherche appliquée a conduit à une découverte fondamentale. »
Pour découvrir la nouvelle physique, les chercheurs ont développé des outils informatiques, notamment des modèles d’apprentissage automatique haute fidélité, pour capturer les interactions atomiques, ainsi que de nouvelles méthodes statistiques permettant de quantifier l’évolution de l’ordre chimique au fil du temps. Ils ont ensuite appliqué ces outils à des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle pour suivre la manière dont les atomes se réorganisent au cours du traitement.
Les chercheurs ont découvert des compositions chimiques standards dans les métaux traités, mais à des températures plus élevées que celles auxquelles on s'attendrait normalement. Plus surprenant encore, ils ont découvert des modèles chimiques complètement nouveaux, jamais observés en dehors des processus de fabrication. C’était la première fois que de tels schémas étaient observés. Les chercheurs ont qualifié ces modèles d’« états éloignés de l’équilibre ».
Les chercheurs ont également construit un modèle simple reproduisant les principales caractéristiques des simulations. Le modèle explique comment les modèles chimiques proviennent de défauts appelés dislocations, qui ressemblent à des gribouillages tridimensionnels dans un métal. Au fur et à mesure que le métal se déforme, ces gribouillages se déforment, mélangeant les atomes proches en cours de route.
Auparavant, les chercheurs pensaient que le brassage effaçait complètement l'ordre dans les métaux, mais ils ont découvert que les dislocations favorisaient certains échanges atomiques par rapport à d'autres, entraînant non pas un caractère aléatoire mais des modèles subtils expliquant leurs découvertes.
« Ces défauts ont des préférences chimiques qui guident leur déplacement », explique Freitas. « Ils recherchent des voies à faible énergie, donc lorsqu'ils ont le choix entre rompre les liaisons chimiques, ils ont tendance à rompre les liaisons les plus faibles, et ce n'est pas complètement aléatoire.
« C'est très excitant car il s'agit d'un état de non-équilibre : ce n'est pas quelque chose que l'on verrait naturellement dans les matériaux. C'est de la même manière que notre corps vit en déséquilibre. La température extérieure est toujours plus chaude ou plus froide que notre corps, et nous maintenons cet équilibre pour rester en vie.
« C'est pourquoi ces états existent dans le métal : l'équilibre entre une poussée interne vers le désordre et cette tendance ordonnatrice à briser certains liens toujours plus faibles que d'autres. »
Appliquer une nouvelle théorie
Les chercheurs explorent désormais comment ces modèles chimiques se développent dans un large éventail de conditions de fabrication. Le résultat est une carte qui relie les différentes étapes de traitement des métaux aux différents modèles chimiques du métal.
Jusqu’à présent, cet ordre chimique et les propriétés qu’il modifie ont été largement considérés comme un sujet académique. Avec cette carte, les chercheurs espèrent que les ingénieurs pourront commencer à considérer ces modèles comme des leviers de conception pouvant être actionnés pendant la production pour obtenir de nouvelles propriétés.
« Les chercheurs ont étudié la manière dont ces arrangements atomiques modifient les propriétés métalliques, la catalyse étant la plus importante », explique Freitas à propos du processus à l'origine des réactions chimiques.
« L'électrochimie se produit à la surface du métal, et elle est très sensible aux arrangements atomiques locaux. Et il y a d'autres propriétés dont on ne penserait pas qu'elles seraient influencées par ces facteurs. Les dommages causés par les radiations sont un autre problème important. Cela affecte les performances de ces matériaux dans les réacteurs nucléaires. »
Les chercheurs ont déjà déclaré à Freitas que l'article pourrait aider à expliquer d'autres découvertes surprenantes sur les propriétés métalliques, et il est ravi que le domaine passe de la recherche fondamentale à l'ordre chimique à des travaux plus appliqués.
« Vous pouvez penser à des domaines dans lesquels vous avez besoin d'alliages très optimisés, comme l'aérospatiale », explique Freitas. « Ils se soucient de compositions très spécifiques. La fabrication avancée permet désormais de combiner des métaux qui ne se mélangeraient normalement pas par déformation.
« Comprendre comment les atomes se mélangent et se mélangent au cours de ces processus est crucial, car c'est la clé pour gagner en force tout en conservant une faible densité. Cela pourrait donc être un problème énorme pour eux. »
