Impossible ? Un alliage pourrait supporter plus de 4.000 °C !

Pour ceux qui ne sont pas familiers avec les performances de certains alliagesalliages découverts par les métallurgistes depuis des décennies, la publication par des chercheurs de la Brown University d'un article dans Physical Review B ressemble à de la science-fiction devenue réalité. Dans le film Fusion, les protagonistes s'enfonçaient au cœur du manteaumanteau de la TerreTerre avec pour mission de redémarrer sa géodynamo grâce à une machine faite d'un alliage résistant à au moins 4.000 kelvinskelvins (rappelons que la température régnant au centre du noyau de la Terrenoyau de la Terre est évaluée à 6.000 K, soit la température de surface du SoleilSoleil).

Cet alliage était appelé « impossiblium » dans le film. Ce néologisme est la traduction de l'anglais unobtainium utilisé en science-fiction pour désigner un métalmétal ou un alliage dont les propriétés sont si exceptionnelles qu'il semble ne pas pouvoir exister (unobtainable signifie impossible à obtenir). Dans le film Avatar, c'est le nom d'un minéralminéral supraconducteur à température ambiante. La légende veut que ce terme soit né dans les années 1950 chez les ingénieurs de l'aérospatiale pour désigner un matériaumatériau idéal pour de futures machines mais hélas inexistant. Plus tard, semble-t-il, les ingénieurs de Lockheed l'ont repris à leur compte quand ils travaillaient sur le tout nouvel alliage à base de titanetitane destiné à l'avion supersonique SR-71 Blackbird. Capable d'atteindre Mach 3, l'appareil devait supporter des températures très élevées (jusqu'à 500 °C), ainsi que des contraintes mécaniques fortes.

Le tantale est un métal de transition gris-bleu avec un point de fusion élevé (3.016,85 °C) utilisé dans l’élaboration de superalliages comme additif. Ces alliages servent surtout dans des milieux très exigeants thermiquement ou chimiquement comme les aubes de turbine des réacteurs d’avion ou celles des turbines à gaz © Creative Commons Attribution 3.0 Unported License

Un alliage prédit par la méthode de dynamique moléculaire quantique

Mais revenons à la découverte des chercheurs de la Brown University. Ils affirment qu'un alliage à base d'hafniumhafnium, d'azoteazote et de carbonecarbone de formule HfN_0,38C_0,51 doit rester solidesolide jusqu'à 4.400 kelvins (4.127 °C). Il ne s'agit toutefois pour le moment que d'une prévision basée sur des simulations informatiquessimulations informatiques. Le résultat n'est cependant pas si surprenant car l'hafnium a des propriétés voisines du tantaletantale. Le carburecarbure de tantale et le carbure d'hafnium ont des températures de fusionfusion parmi les plus élevées, respectivement 3.983 °C et 3.928 °C. Bien que l'augmentation de la température du point de fusion soit donc d'environ 200 ° C, l'annonce semble donc crédible.

Pour obtenir leur prédiction, les chercheurs ont utilisé la dynamique moléculaire ab initio. Elle consiste à utiliser les équationséquations de la mécanique classique ou quantique pour simuler les forces et les mouvementsmouvements d'une population d'atomesatomes ou de moléculesmolécules afin de déterminer par le calcul les propriétés de matériaux difficiles à fabriquer ou dans des conditions de températures et de pressionspressions extrêmes (comme celles régnant dans le noyau de la Terre). Elle permet aussi, plus simplement, d'étudier sans avoir besoin de réaliser des expériences et à peu de frais ce qu'il advient des propriétés de certains matériaux après modification de leur composition chimique ou de leur organisation. Dans le cas présent, ce sont des blocs d'une centaine d'atomes décrits par les lois de la physique quantique qui ont été simulés. Il a tout de même fallu utiliser une ferme de calcul avec des ordinateursordinateurs en réseau pour déterminer la composition optimale du nouvel alliage. Au départ, ce sont des variantes du carbure de tantale-hafnium qui ont été explorées numériquement.

Il reste d'une part à synthétiser le nouveau matériau et à vérifier les prédictions obtenues sur ordinateur. Il ne faut pas perdre de vue non plus qu'un point de fusion élevé est une bonne chose mais il faut aussi que l'alliage résiste à l'oxydationoxydation et à des contraintes mécaniques fortes pour en permettre l'exploitation industrielle, par exemple dans des boucliers thermiques ou des turbines.