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

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Les alliages à base d'hafnium ou de tantale ont des points de fusion élevés. Mais des physiciens pensent avoir trouvé beaucoup plus fort à l'aide de simulations. Selon eux, un nouvel alliage à base d'hafnium, de carbone et d'azote battrait tous les records. En fondant à plus de 4.000 °C, il mériterait d'être appelé unobtainium, genre de matériau aux propriétés impossibles pour les ingénieurs de l'aérospatiale et les amateurs de science-fiction.

Métal de transition d'un aspect gris argenté, l'hafnium a un point de fusion de 2.233 °C. Il est utilisé dans les alliages de tungstène pour la confection de filaments et d'électrodes, et comme absorbeur de neutrons dans les systèmes de contrôle neutronique de réacteur nucléaire. Il présente de très bonnes propriétés mécaniques et une excellente résistance à la corrosion. © Creative Commons Attribution 3.0 Unported License

Pour ceux qui ne sont pas familiers avec les performances de certains alliages 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 manteau de la Terre avec pour mission de redémarrer sa géodynamo grâce à une machine faite d'un alliage résistant à au moins 4.000 kelvins (rappelons que la température régnant au centre du noyau de la Terre est évaluée à 6.000 K, soit la température de surface du Soleil).

Cet alliage était appelé « impossiblium » dans le film. Ce néologisme est la traduction de l'anglais unobtainium utilisé en science-fiction pour désigner un métal 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 minéral 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 matériau 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 titane 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'hafnium, d'azote et de carbone de formule HfN0,38C0,51 doit rester solide jusqu'à 4.400 kelvins (4.127 °C). Il ne s'agit toutefois pour le moment que d'une prévision basée sur des simulations informatiques. Le résultat n'est cependant pas si surprenant car l'hafnium a des propriétés voisines du tantale. Le carbure de tantale et le carbure d'hafnium ont des températures de fusion 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 équations de la mécanique classique ou quantique pour simuler les forces et les mouvements d'une population d'atomes ou de molécules afin de déterminer par le calcul les propriétés de matériaux difficiles à fabriquer ou dans des conditions de températures et de pressions 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 ordinateurs 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'oxydation et à des contraintes mécaniques fortes pour en permettre l'exploitation industrielle, par exemple dans des boucliers thermiques ou des turbines.

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