Surprise à la limite du grain
Pour la première fois, une équipe de recherche internationale a pu observer comment les éléments solutés introduisent de nouvelles phases aux joints de grains en utilisant des techniques de pointe en matière de microscopie et de simulation
À l'aide de techniques de microscopie et de simulation de pointe, une équipe de recherche internationale a observé systématiquement comment les atomes de fer modifient la structure des joints de grains dans le titane. Une surprise les attendait : "Les atomes de fer ne se contentent pas de ségréger à l'interface, ils forment des structures en forme de cage tout à fait inattendues", explique le professeur Christian Liebscher du centre de recherche Future Energy Materials and Systems de l'Alliance universitaire de la Ruhr. Les chercheurs ne s'attendaient pas à un tel comportement. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Science le 25 octobre 2024.
Un nouveau type de comportement de ségrégation
La plupart des matériaux technologiques ont une structure polycristalline : ils sont composés de différents cristaux, où les atomes sont disposés dans un réseau régulier. Ces cristaux n'ont pas la même orientation partout et les interfaces qui les séparent sont appelées joints de grains. "Ces joints de grains ont une influence considérable sur la durabilité et les performances globales d'un matériau", explique le Dr Vivek Devulapalli, qui a réalisé les travaux de microscopie de l'étude. Il ajoute : "Mais nous n'avons qu'une compréhension très limitée de ce que sont ces joints de grains : "Mais nous avons une compréhension très limitée de ce qui se passe lorsque des éléments se séparent aux joints de grains et de la manière dont ils influencent les propriétés d'un matériau."
La clé du succès a été d'observer et de modéliser les structures à une résolution atomique. Les chercheurs ont corrélé les résultats de la microscopie électronique à transmission à balayage à résolution atomique avec des simulations informatiques avancées. Un nouvel algorithme de prédiction de la structure des joints de grains a permis de générer les structures observées expérimentalement et d'étudier leur structure. "Nos simulations montrent que pour différentes teneurs en fer, nous trouvons toujours les structures en cage comme éléments sous-jacents des différentes phases de joints de grains. À mesure que la teneur en fer augmente à la limite du grain, davantage d'unités icosaédriques apparaissent et finissent par s'agglomérer", explique Enze Chen, de l'université de Stanford. Un icosaèdre est un objet géométrique comportant 12 coins ou sommets, dans ce cas occupés par des atomes, et 20 plans.
"Nous avons identifié plus de cinq structures distinctes ou phases de joint de grain du même joint, toutes composées de différents arrangements des mêmes unités de cage icosaédrique", ajoute le Dr Timofey Frolov, qui a dirigé les travaux de calcul de l'étude.
Phases de joints de grains de type quasicristallin
Un examen plus approfondi des structures des cages a révélé que les atomes adoptent un arrangement icosaédrique, les atomes de fer étant situés au centre de l'icosaèdre et les atomes de titane occupant ses sommets. "Les cages icosaédriques permettent un empilement dense d'atomes de fer et, comme elles peuvent former des grappes apériodiques, plus de deux à trois fois la quantité de fer peut être logée à la limite du grain", explique Vivek Devulapalli. "Il semble que le fer soit piégé à l'intérieur de phases de joints de grains de type quasi-cristallin", ajoute Chen. "Ce phénomène est attribué aux propriétés des cages icosaédriques", déclare Liebscher, "et nous devons maintenant trouver des moyens d'étudier la manière dont elles influencent les propriétés de l'interface et, par conséquent, le comportement du matériau".
De nouvelles voies pour la conception des matériaux
La compréhension et le contrôle de la formation de phases de joints de grains icosaédriques ayant des structures et des propriétés différentes peuvent potentiellement être utilisés pour adapter les propriétés des matériaux. Les chercheurs veulent maintenant étudier systématiquement comment ces nouveaux états de joints de grains peuvent être utilisés pour régler le comportement des matériaux, ajuster une certaine fonctionnalité des matériaux et rendre les matériaux plus résistants aux processus de dégradation.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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