Nouveau verre à haute résistance

18.08.2023 - Allemagne

Hu Tang, premier auteur de l'étude, devant une presse à haute pression à l'Institut bavarois de recherche en géochimie expérimentale et en géophysique (BGI).

UBT / Chr. Wißler

Des chercheurs de l'université de Bayreuth, en collaboration avec des partenaires en Chine et aux États-Unis, ont produit un verre d'oxyde d'une dureté sans précédent. Ils ont réussi à paracristalliser un verre d'aluminosilicate sous des pressions et des températures élevées : Les structures cristallines qui en résultent permettent au verre de résister à des contraintes très élevées et sont conservées dans des conditions ambiantes. La paracristallisation s'avère donc être un procédé prometteur pour produire des verres extrêmement résistants à la rupture. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue Nature Materials, à laquelle le synchrotron allemand (DESY) de Hambourg a également participé.

À bien des égards, le verre est un matériau attrayant pour les technologies modernes. Cependant, sa fragilité, qui entraîne facilement des fissures et des fractures, limite ses applications potentielles. Les approches de recherche visant à augmenter fortement la ténacité du verre tout en conservant ses propriétés avantageuses ont largement échoué à produire les résultats souhaités. La nouvelle approche présentée dans "Nature Materials" part des verres d'oxyde, qui ont une structure interne plutôt désordonnée et sont les matériaux verriers les plus largement utilisés dans le commerce. En prenant l'exemple de l'aluminosilicate, qui contient du silicium, de l'aluminium, du bore et de l'oxygène, l'équipe de recherche allemande et chinoise est parvenue à lui donner une nouvelle structure. Pour ce faire, ils ont utilisé des technologies à haute pression et à haute température à l'Institut bavarois de recherche en géochimie expérimentale et en géophysique (BGI) de l'université de Bayreuth.

À des pressions comprises entre 10 et 15 gigapascals et à une température d'environ 1 000 degrés Celsius, les atomes de silicium, d'aluminium, de bore et d'oxygène se sont regroupés pour former des structures cristallines. Ces structures sont appelées "paracristallines" parce qu'elles diffèrent sensiblement d'une structure complètement irrégulière, mais ne s'approchent pas de la structure claire et régulière des cristaux. Tant les analyses empiriques utilisant des techniques spectroscopiques que les calculs théoriques ont clairement mis en évidence cet état intermédiaire entre les structures cristallines et l'irrégularité amorphe. Même après une baisse de la pression et de la température jusqu'aux conditions ambiantes normales, les structures paracristallines du verre d'aluminosilicate subsistent. La pénétration de ces structures dans le verre se traduit par une ténacité beaucoup plus élevée qu'avant la paracristallisation. Elle atteint maintenant une valeur de 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/². Il s'agit d'une ténacité jamais mesurée auparavant pour des verres d'oxyde. En même temps, la transparence du verre n'est pas sérieusement affectée par les structures paracristallines.

Les chercheurs expliquent l'extraordinaire renforcement du verre par le fait que les forces agissant sur le verre depuis l'extérieur, qui conduiraient normalement à une rupture ou à des fissures internes, sont maintenant principalement dirigées contre les structures paracristallines. Elles dissolvent des zones de ces structures et les transforment à nouveau en un état amorphe et aléatoire. De cette manière, le verre dans son ensemble acquiert une plus grande plasticité interne, de sorte qu'il ne se brise pas ou ne se fissure pas lorsqu'il est exposé à ces forces ou même à des forces plus fortes.

"Notre découverte met en évidence une stratégie efficace pour développer des matériaux en verre hautement tolérants aux dommages, que nous prévoyons de poursuivre avec nos recherches dans les années à venir", a déclaré le Dr Hu Tang, premier auteur de la nouvelle étude. "L'augmentation de la ténacité due à la paracristallisation montre que les changements structurels au niveau atomique peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés des verres d'oxyde. À ce niveau, il existe un grand potentiel d'optimisation du verre, un matériau qui est loin d'être épuisé", ajoute le professeur Tomoo Katsura de l'Institut bavarois de recherche en géochimie expérimentale et en géophysique.

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