Percée dans la recherche sur les matériaux : le métal qui ne se dilate pas
Un alliage de plusieurs métaux a été mis au point qui ne présente pratiquement pas de dilatation thermique sur un intervalle de température extrêmement large
La plupart des métaux se dilatent lorsque leur température augmente. La Tour Eiffel, par exemple, est plus haute d'environ 10 à 15 centimètres en été qu'en hiver en raison de sa dilatation thermique. Cependant, cet effet est extrêmement indésirable pour de nombreuses applications techniques. C'est pourquoi on cherche depuis longtemps des matériaux qui ont toujours la même longueur quelle que soit la température. L'Invar, par exemple, un alliage de fer et de nickel, est connu pour sa dilatation thermique extrêmement faible. Cependant, la manière dont cette propriété peut être expliquée physiquement n'était pas tout à fait claire jusqu'à présent.
Aujourd'hui, une collaboration entre des chercheurs théoriques de la TU Wien (Vienne) et des expérimentateurs de l'Université des sciences et technologies de Pékin a permis une avancée décisive : grâce à des simulations informatiques complexes, il a été possible de comprendre en détail l'effet Invar et de mettre au point un aimant dit pyrochlore, un alliage qui présente des propriétés de dilatation thermique encore meilleures que celles de l'Invar. Sur une plage de température extrêmement large de plus de 400 kelvins, sa longueur ne varie que d'environ un dix millième de pour cent par kelvin.
La dilatation thermique et son antagoniste
"Plus la température d'un matériau est élevée, plus les atomes ont tendance à se déplacer - et lorsque les atomes se déplacent davantage, ils ont besoin de plus d'espace. La distance moyenne entre eux augmente", explique le Dr Sergii Khmelevskyi du centre de recherche Vienna Scientific Cluster (VSC) de la TU Wien. "Cet effet est à la base de la dilatation thermique et ne peut être évité. Mais il est possible de produire des matériaux dans lesquels il est presque exactement compensé par un autre effet compensatoire".
Segii Khmelevskyi et son équipe ont mis au point des simulations informatiques complexes qui peuvent être utilisées pour analyser le comportement des matériaux magnétiques à température finie au niveau atomique. Cela nous a permis de mieux comprendre la raison pour laquelle l'invar ne se dilate pratiquement pas", explique M. Khmelevskyi. "L'effet est dû au fait que certains électrons changent d'état à mesure que la température augmente. L'ordre magnétique dans le matériau diminue, ce qui entraîne une contraction du matériau. Cet effet annule presque exactement la dilatation thermique habituelle".
On savait déjà que l'ordre magnétique dans le matériau était responsable de l'effet invar. Mais ce n'est qu'avec les simulations informatiques de Vienne qu'il a été possible de comprendre les détails de ce processus avec une telle précision que des prédictions pour d'autres matériaux ont pu être faites. "Pour la première fois, nous disposons d'une théorie qui permet de faire des prévisions concrètes pour le développement de nouveaux matériaux dont la dilatation thermique s'évanouit", déclare Sergii Khmelevskyi.
L'aimant pyrochlore avec les plans de Kagome
Afin de tester ces prédictions dans la pratique, Sergii Khmelevskyi a travaillé avec l'équipe expérimentale du Prof. Xianran Xing et de l'Ass. Yili Cao de l'Institut de chimie de l'état solide de l'Université des sciences et technologies de Pékin. Le résultat de cette coopération vient d'être présenté : L'aimant pyrochlore.
Contrairement aux alliages d'invar précédents, qui ne sont constitués que de deux métaux différents, l'aimant pyrochlore est composé de quatre éléments : Zirconium, niobium, fer et cobalt. "Il s'agit d'un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible sur une plage de températures sans précédent", explique Yili Cao.
Ce comportement remarquable à la température est lié au fait que l'aimant pyrochlore n'a pas une structure de réseau parfaite qui se répète toujours exactement de la même manière. La composition du matériau n'est pas la même en tout point, elle est hétérogène. Certaines zones contiennent un peu plus de cobalt, d'autres un peu moins. Les deux sous-systèmes réagissent différemment aux changements de température. Cela permet d'équilibrer point par point les détails de la composition du matériau de manière à ce que la dilatation globale de la température soit presque exactement nulle.
Ce matériau pourrait présenter un intérêt particulier pour les applications soumises à des fluctuations de température extrêmes ou à des techniques de mesure précises, telles que l'aviation, l'aérospatiale ou les composants électroniques de haute précision.
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Publication originale
Sergii Khmelevskyi, Soner Steiner; "Predictive Theory of Anomalous Volume Magnetostriction in Fe–Ni Alloys: Bond Repopulation Mechanism of the Invar Effect"; The Journal of Physical Chemistry C, Volume 128, 2023-12-28
Y. Sun et al., Local chemical heterogeneity enabled superior zero thermal expansion in nonstoichiometric pyrochlore magnets, National Science Review, nwae46
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