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Un verre plus résistant que l’acier

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Une équipe américaine vient de présenter un verre métallique au palladium dont dureté et résistance sont de l'ordre de l'acier. Les applications restent incertaines mais, de l'espace aux prothèses dentaires, les potentialités semblent grandes.

Visualisation au microscope d'une déformation plastique à l'intérieur du verre. Dans l'insert, on voit la trace de la déformation plastique (indiquée par une flèche) avant que la rupture ne se produise. © Marios D. Demetriou et Robert O. Ritchie

Depuis plusieurs décennies, les scientifiques s'intéressent aux « verres métalliques », des formes de métaux à la structure purement vitreuse (sans trace de réseau cristallin, donc), qui présentent une grande résistance mécanique. On les obtient par une trempe très rapide, ce qui a longtemps limité la production à des bandes de faibles épaisseurs. Depuis les années 1980, on parvient tout de même à réaliser des objets plus gros, notamment avec du palladium. On parle de verres métalliques massifs (VMM, ou BMG, pour Bulk Metallic Glasses).

Les chercheurs s'acharnent depuis à réduire le plus gros défaut de ces matériaux : leur faible ductilité qui les rend très cassants. On dit qu'ils sont fragiles. Cette solidité peut s'exprimer en kJoules/m2, une valeur représentant l'énergie nécessaire pour casser l'objet. Un matériau peut être en effet résistant, à la compression par exemple, (cette résistance se mesure en MPa, mégapascals) mais néanmoins cassant, quand on le plie. Sous l'effet d'une contrainte, il se forme des bandes de cisaillement (shear bands en anglais) qui se propagent rapidement et qui conduisent finalement à de multiples fractures.

L'idée est donc d'augmenter la plasticité, c'est-à-dire la capacité à se déformer sans rupture. En 2008, un résultat important avait été obtenu au CalTech (California Institute of Technology) par l'équipe de Douglas Hofmann et William Johnson. Ils parvenaient à créer à l'intérieur d'un verre métallique des structures cristallines en forme de dendrites. Sous l'effet d'une contrainte, cette structure interne limitait la propagation des criques, augmentant considérablement la résistance à la rupture.

Solide et résistant à la fois

La même équipe vient de présenter de nouveaux résultats grâce à une collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory de l'université de Berkeley. Cette fois, la structure reste totalement amorphe. Les chercheurs ont utilisé un alliage composé d'argent, de palladium, de silicium, de phosphore et de germanium. Selon eux, le palladium induit un réseau de minuscules bandes de cisaillement qui, paradoxalement, renforce la ductilité du matériau en bloquant la progression des criques créées par une forte contrainte. Le matériau supporte alors de plus grandes déformations plastiques. De plus, grâce à l'ajout d'une généreuse quantité d'argent, l'équipe est parvenue à augmenter l'épaisseur, initialement de 1 millimètre, jusqu'à 6 millimètres sans dégrader la résistance.

C'est un grand progrès vers la réalisation d'un matériau qui offrirait à la fois une grande résistance et une forte solidité, qui deviendrait ainsi meilleur que l'acier. Malheureusement, le palladium est un atome rare sur Terre donc très coûteux, ce qui limite les applications possibles à des domaines restreints, par exemple le spatial.

Marios Demetriou, l'un des auteurs, et qui travaille au CalTech, affirme cependant que ce verre métallique pourrait convenir à des implants dentaires. Reste à vérifier de nombreux points, qui vont de la facilité de réalisation par un procédé industriel jusqu'à la biocompatibilité en passant par la longévité. Mais l'équipe ne semble pas désespérer de parvenir à des résultats analogues avec d'autres alliages métalliques, moins, coûteux. Pourquoi pas, disent-ils, le cuivre ou le fer ?

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