Une méthode de calcul innovante permet de découvrir des céramiques à haute performance pour les environnements extrêmes
Une équipe de chercheurs identifie des centaines de représentants d'une classe de matériaux particulièrement résistants à la chaleur
Une équipe de recherche internationale a mis au point une méthode permettant de découvrir rapidement de nouveaux types de matériaux fonctionnant à des températures extrêmement élevées, de l'ordre de plusieurs milliers de degrés Celsius. Ces céramiques hautes performances pourraient un jour constituer la base de revêtements plus robustes, de batteries et de dispositifs résistants aux radiations. Rico Friedrich, chef du groupe de recherche à l'université technologique de Dresde (TUD) et au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), a apporté une contribution essentielle à ces résultats prometteurs, qui ont été récemment publiés dans la revue Nature.
Des dispositifs électroniques fonctionnant à des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius, comparables à celles de la lave ? Une nouvelle classe de matériaux à haute performance pourrait bientôt rendre cela possible. Une équipe de chercheurs dirigée par des spécialistes des matériaux de l'université Duke (États-Unis) a présenté une méthode de calcul qui peut être utilisée pour développer rapidement des centaines de représentants d'une nouvelle classe de matériaux qui sont si résistants à la chaleur et si stables sur le plan électronique qu'ils pourraient permettre à des appareils de fonctionner dans des conditions de chaleur extrême. Ces matériaux sont des céramiques fabriquées à partir de carbonitrures ou de borures métalliques à haute entropie. Ce type particulier de composé forme des structures très désordonnées, appelées phases à haute entropie. La distribution aléatoire des cations dans le matériau entraîne un degré élevé de réflexion et d'interférence des ondes, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques, électroniques et thermiques particulières.
Utiliser les données thermodynamiques pour faire des prédictions précises
Rico Friedrich, de la chaire de chimie théorique de la TUD et de l'institut HZDR de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux, fait partie de ce consortium de recherche. Il dirige le groupe de recherche du concept DRESDEN "Autonomous Materials Thermodynamics - AutoMaT", qui s'intéresse principalement à la conception de nanomatériaux bidimensionnels guidée par les données et à l'optimisation de leurs propriétés électroniques et magnétiques. Friedrich a effectué certains calculs approfondis pour la nouvelle méthode appelée "Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor" (DEED).
Le DEED est une formule qui évalue précisément les influences énergétiques et entropiques, c'est-à-dire le désordre dans un matériau, dans la formation de ces céramiques. Cela permet de prédire la synthétisabilité de ces systèmes complexes dans de nombreuses classes de matériaux, ce qui surpasse de loin les approches précédentes. Pour optimiser son mode d'action, DEED a besoin d'une grande quantité de données thermodynamiques sur les matériaux inorganiques, telles que celles disponibles dans la base de données AFLOW, qui contient environ 3,5 millions de composés stockés. La stabilité des nouvelles céramiques peut être évaluée de manière fiable en fonction de ces données.
Production réussie en laboratoire
"Dans sa première démonstration, DEED a prédit la synthétisation de 900 nouvelles formulations de matériaux à hautes performances, dont 17 ont ensuite été produites et testées avec succès en laboratoire. Les céramiques finies ont un aspect métallique et un aspect gris foncé ou noir. Elles ressemblent au toucher à des alliages métalliques, tels que l'acier inoxydable, et ont une densité similaire. Et bien qu'elles aient un aspect métallique, elles sont dures et cassantes comme les céramiques conventionnelles. Ils pourraient constituer la base de nouveaux revêtements résistants à l'usure et à la corrosion, de thermoélectriques, de batteries, de convertisseurs catalytiques et de dispositifs résistants aux radiations", explique le Dr Friedrich.
Sur la base de ces résultats, Rico Friedrich et son équipe souhaitent étudier les propriétés des nouveaux matériaux et leurs interactions aux interfaces en vue d'applications électroniques potentielles. Le groupe, qui fait partie de l'alliance de recherche de Dresde DRESDEN-concept, suppose que d'autres chercheurs utiliseront également DEED pour optimiser et tester les propriétés des nouveaux matériaux céramiques pour diverses applications. Compte tenu de l'incroyable variété de propriétés et d'applications potentielles, ils estiment que ce n'est qu'une question de temps avant que certains d'entre eux n'atteignent le stade de la production commerciale.
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Publication originale
Simon Divilov, Hagen Eckert, David Hicks, Corey Oses, Cormac Toher, Rico Friedrich, Marco Esters, Michael J. Mehl, Adam C. Zettel, Yoav Lederer, Eva Zurek, Jon-Paul Maria, Donald W. Brenner, Xiomara Campilongo, Suzana Filipović, William G. Fahrenholtz, Caillin J. Ryan, Christopher M. DeSalle, Ryan J. Crealese, Douglas E. Wolfe, Arrigo Calzolari, Stefano Curtarolo; "Disordered enthalpy–entropy descriptor for high-entropy ceramics discovery"; Nature, Volume 625, 2024-1-3
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