Des chercheurs de l'Université de Sydney ont mis au point une nouvelle méthode de microscopie qui utilise la tomographie par sonde atomique pour observer les changements à l'échelle atomique dans les matériaux. Cette avancée améliore la compréhension des propriétés des matériaux et pourrait conduire à des alliages plus résistants pour l'aérospatiale, à des semi-conducteurs plus efficaces et à de meilleurs aimants pour les moteurs.
Les chercheurs de l' Université de Sydney ont développé une nouvelle méthode de microscopie utilisant atome tomographie par sonde pour explorer les changements au niveau atomique dans les matériaux, promettant des avancées significatives dans la science et l'ingénierie des matériaux.
Une nouvelle technique de microscopie permet aux chercheurs d’observer des changements infimes dans la structure atomique des matériaux cristallins, tels que les aciers de pointe utilisés dans la construction navale et le silicium sur mesure pour l’électronique. Cette méthode a le potentiel d’améliorer notre compréhension des origines fondamentales des propriétés et du comportement des matériaux.
Dans un article publié dans Matériaux naturelsDes chercheurs de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de l'Université de Sydney ont présenté une nouvelle façon de décoder les relations atomiques au sein des matériaux.
Cette avancée pourrait contribuer au développement d'alliages plus résistants et plus légers pour l'industrie aérospatiale, la nouvelle génération semi-conducteurs pour l'électronique et des aimants améliorés pour les moteurs électriques. Cela pourrait également permettre la création de produits durables, efficaces et rentables.
Techniques avancées en tomographie par sonde atomique
L'étude, dirigée par le professeur Simon Ringer, vice-chancelier de l'Université de Sydney (infrastructure de recherche), a exploité la puissance de la tomographie par sonde atomique (APT) pour percer les subtilités de l'ordre à courte portée (SRO). Le processus SRO est essentiel pour comprendre les environnements atomiques locaux essentiels au développement de matériaux innovants qui pourraient sous-tendre une nouvelle génération d'alliages et de semi-conducteurs.
Le SRO est parfois comparé au « génome des matériaux », c'est-à-dire à la disposition ou à la configuration des atomes au sein d'un cristal. Ce phénomène est important car différentes dispositions atomiques locales influencent les propriétés électroniques, magnétiques, mécaniques, optiques et autres des matériaux, qui ont une incidence sur la sécurité et la fonctionnalité d'une gamme de produits.
Images atomiques 2D simulées à partir d'une sonde atomique. Crédit : Université de Sydney
Jusqu’à présent, les chercheurs ont eu du mal à mesurer et à quantifier le SRO, car les arrangements atomiques se produisent à une échelle si petite qu’ils sont difficiles à voir avec les techniques de microscopie conventionnelles.
La nouvelle méthode utilisant l'APT, développée par l'équipe du professeur Ringer, surmonte ces défis, ouvrant la voie à des avancées dans la science des matériaux qui pourraient avoir des implications de grande portée dans les aciers pour les coques de navires et le silicium personnalisé pour l'électronique dans toute une gamme d'industries.
« Nos recherches représentent une avancée significative dans la science des matériaux », a déclaré le professeur Ringer, ingénieur des matériaux à l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique (AMME).
« Au-delà de la structure cristalline et de la symétrie, nous voulions en savoir plus sur les relations de voisinage à l’échelle atomique au sein du cristal : sont-elles aléatoires ou non ? Dans le dernier cas, nous voulons quantifier cela. La SRO nous fournit ces informations en détail, ouvrant de vastes possibilités pour des matériaux conçus sur mesure, atome par atome, avec des arrangements de voisinage spécifiques pour obtenir les propriétés souhaitées comme la résistance. »
L’étude s’est concentrée sur les alliages à haute entropie, qui sont prometteurs pour diverses applications d’ingénierie avancée.
Implications et recherches futures
« Ces alliages font l’objet d’un effort de recherche considérable à l’échelle mondiale en raison de l’intérêt qu’ils suscitent dans des situations nécessitant une résistance à haute température, comme dans les moteurs à réaction et les centrales électriques, ainsi que pour le blindage contre l’irradiation neutronique dans les réacteurs nucléaires, où la protection contre les dommages causés par les radiations est nécessaire », a déclaré le professeur Ringer.
L’équipe a utilisé des techniques avancées de science des données s’appuyant sur les données de l’APT, une technique d’imagerie sophistiquée qui visualise les atomes en 3D, permettant à l’équipe d’observer et de mesurer le SRO, en comparant son évolution dans les alliages sous différentes conditions de traitement.
La recherche s'est concentrée sur les observations d'une entropie élevée de cobalt-chrome-nickel alliagerévélant à quel point c'est différent les traitements thermiques peuvent modifier le SRO.
« Cela fournit un modèle pour les études futures dans lesquelles le SRO contrôle les propriétés critiques des matériaux. Il reste encore beaucoup à faire sur divers aspects de l'analyse du SRO. C'est un problème difficile, mais c'est une avancée importante », a déclaré le professeur Ringer.
Dr Mengwei He, chercheur postdoctoral à l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique, a déclaré :
« La capacité à mesurer et à comprendre l’ordre à courte portée a transformé notre approche de la conception des matériaux. Elle nous donne un nouvel œil pour voir comment de petits changements au niveau de l’architecture atomique peuvent conduire à des progrès considérables dans les performances des matériaux. »
De manière critique, l’étude améliore les capacités des chercheurs à simuler, modéliser et finalement prédire par ordinateur le comportement des matériaux, car SRO fournit un plan détaillé à l’échelle atomique.
Le Dr Andrew Breen, chercheur postdoctoral senior, a déclaré : « Nous avons démontré qu’il existe des régimes dans lesquels le SRO peut réellement être mesuré à l’aide de la tomographie par sonde atomique. Non seulement nous avons été les pionniers d’une approche expérimentale et d’un cadre informatique pour mesurer le SRO, mais nous avons également produit une analyse de sensibilité qui limite la plage précise de circonstances dans lesquelles de telles mesures sont valides et celles dans lesquelles elles ne le sont pas. »
Le Dr Will Davids, qui a obtenu son doctorat auprès du professeur Ringer et travaille désormais pour la société d'ingénierie Infravue, a déclaré : « Il s'agit d'une avancée passionnante, car nous avons montré que les mesures SRO sont possibles dans les alliages multicomposants, ce qui sera sans aucun doute bénéfique pour la communauté des sciences des matériaux et de l'ingénierie. La communauté va maintenant vouloir apprendre comment étendre davantage le régime mesurable de SRO, ce qui ouvre un grand espace dans ce domaine de recherche. »
La recherche a été financée par le programme Discovery du Conseil australien de la recherche (ARC). L'équipe remercie également le programme Australia–US Multidisciplinary University Research Initiative (AUSMURI) soutenu par le gouvernement australien. L'équipe remercie les laboratoires de recherche suivants pour leur soutien technique et scientifique. SMM est un nœud fondateur de Microscopy Australia, l'installation nationale de microscopie soutenue par le NCRIS. Cette équipe de recherche est composée de membres de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de la Faculté d'ingénierie et du Centre australien de microscopie et de microanalyse. Une demande de brevet déposée par le professeur Ringer est en partie liée à ce travail.
