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Les nanosciences peuvent-elles créer des matériaux "parfaits" ?

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Selon un chercheur américain, certains matériaux appelés « nanocomposites » et formés de minuscules grains de l'ordre du nanomètre, peuvent se trouver totalement dépourvus d'imperfections dans certaines conditions. La porte ouverte vers de la matière sans défauts ?

Si les grains élémentaires qui nourrissent un matériau composite sont suffisamment petits, typiquement s'ils font moins de quelques nanomètres de taille (1 nm = 10-9 m), alors ce matériau dont la structure se trouve être sans défaut peut non seulement présenter une grande dureté et un durabilité très longue, mais aussi des propriétés optiques, électriques et électromagnétiques fortement améliorées. Un matériau "parfait" : c'est la spectaculaire conclusion des travaux présentés dernièrement par Jagdish Narayan, un physicien de l'université de Caroline du nord (1) .

Le chercheur a fait le tour de tous les types de défauts qui peuvent affecter un matériau, et démontre, à la fois sur le plan théorique et par des expériences, comment le simple fait de contrôler la taille des grains élémentaires modifie la qualité. Un exemple : la « dislocation », une irrégularité dans la répétition des motifs caractéristiques d'un matériau cristallin, est un défaut majeur qui entraîne sa fragilité. Or selon Narayan, réduire la taille des grains doit permettre théoriquement de limiter l'impact de l'irrégularité au reste de matériau. Le cuivre (Cu), en dessous de 7,5 nm, pourrait devenir aussi résistant que l'acier !

Une affaire de taille critique

Sur le plan expérimental, le chercheur a utilisé un nanocomposite à base de carbure de tungstène WC et d'aluminide de Nickel NiAL. NiAL agit en quelque sorte comme agent durcissant, se liant avec les atomes en surface des particules très résistantes de WC. Les grains de WC-NiAl ainsi formés sont tous de même taille (figure 1), il est donc aisé de tester l'effet de taille sur ce composite.


Figure 1 : Deux images par microscope à transmission (transmission electron microscopy, TEM) du nanocomposite WC-NiAL : en haut, un grain moyen de 11 nm, et en bas 6 nm.


Un grain moyen de 6 nm.

Or la dureté augmente avec la réduction des grains mais seulement jusqu'à une valeur critique, en dessous de laquelle le matériau se fragilise (figure 2).


Figure 2 : La dureté du composite WC-NiAl (en ordonnée) varie en fonction de la taille du grain (en abscisse).

Pour atteindre la « perfection » recherchée, toutefois, il faudra encore parvenir à contrôler, en plus de la taille, les défauts pouvant surgir à la surface de contact entre deux grains. Le problème se complique du fait que plus les grains sont petits, plus le rapport surface sur volume devient important. Et le nombre de défauts de contacts aussi...

(1) "Critical size for defects in nanostructured materials"

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