Les ingénieurs de l’Université Rice qui imitent les processus à l’échelle atomique pour les rendre suffisamment grands pour les voir ont modélisé comment le cisaillement influence les joints de grains dans les matériaux polycristallins.
Que les limites puissent changer si facilement n’était pas entièrement une surprise pour les chercheurs, qui ont utilisé des réseaux rotatifs de particules magnétiques pour voir ce qu’ils soupçonnaient de se produire à l’interface entre des domaines cristallins mal alignés.
Selon Sibani Lisa Biswal, professeur de génie chimique et biomoléculaire à la George R. Brown School of Engineering de Rice, et étudiante diplômée et auteure principale Dana Lobmeyer, le cisaillement interfacial à la limite du vide cristallin peut en effet déterminer l’évolution des microstructures.
La technique rapportée dans Avancées scientifiques pourrait aider les ingénieurs à concevoir des matériaux nouveaux et améliorés.
À l’œil nu, les métaux communs, les céramiques et les semi-conducteurs semblent uniformes et solides. Mais à l’échelle moléculaire, ces matériaux sont polycristallins, séparés par des défauts appelés joints de grains. L’organisation de ces agrégats polycristallins régit des propriétés telles que la conductivité et la résistance.
Sous contrainte appliquée, les joints de grains peuvent se former, se reconfigurer ou même disparaître entièrement pour s’adapter aux nouvelles conditions. Même si les cristaux colloïdaux ont été utilisés comme systèmes modèles pour voir les frontières se déplacer, le contrôle de leurs transitions de phase a été difficile.
« Ce qui distingue notre étude, c’est que dans la majorité des études sur les cristaux colloïdaux, les joints de grains se forment et restent stationnaires », a déclaré Lobmeyer. « Ils sont essentiellement gravés dans la pierre. Mais avec notre champ magnétique rotatif, les joints de grains sont dynamiques et nous pouvons observer leur mouvement. »
Dans des expériences, les chercheurs ont induit des colloïdes de particules paramagnétiques pour former des structures polycristallines 2D en les faisant tourner avec des champs magnétiques. Comme récemment montré dans une précédente étude, ce type de système est bien adapté pour visualiser les transitions de phase caractéristiques des systèmes atomiques.
Ici, ils ont vu que les phases gazeuse et solide peuvent coexister, ce qui donne des structures polycristallines qui incluent des régions sans particules. Ils ont montré que ces vides agissent comme des sources et des puits pour le mouvement des joints de grains.
La nouvelle étude démontre également comment leur système suit la longue tradition Théorie de Read-Shockley de matière condensée dure qui prédit les angles de désorientation et les énergies des joints de grains à faible angle, ceux caractérisés par un petit désalignement entre cristaux adjacents.
En appliquant un champ magnétique sur les particules colloïdales, Lobmeyer a incité les particules de polystyrène incrustées d’oxyde de fer à s’assembler et a observé que les cristaux formaient des joints de grains.
« Nous avons généralement commencé avec de nombreux cristaux relativement petits », a-t-elle déclaré. « Après un certain temps, les joints de grains ont commencé à disparaître, nous avons donc pensé que cela pourrait conduire à un cristal unique et parfait. »
Au lieu de cela, de nouveaux joints de grains se sont formés en raison du cisaillement à l’interface du vide. Semblables aux matériaux polycristallins, ceux-ci ont suivi les prédictions d’angle et d’énergie de désorientation faites par Read et Shockley il y a plus de 70 ans.
« Les joints de grains ont un impact significatif sur les propriétés des matériaux, donc comprendre comment les vides peuvent être utilisés pour contrôler les matériaux cristallins nous offre de nouvelles façons de les concevoir », a déclaré Biswal. « Notre prochaine étape consiste à utiliser ce système colloïdal accordable pour étudier le recuit, un processus qui implique plusieurs cycles de chauffage et de refroidissement pour éliminer les défauts dans les matériaux cristallins. »
La National Science Foundation (1705703) a soutenu la recherche. Biswal est titulaire de la chaire William M. McCardell en génie chimique, professeur de génie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie.
Dana M. Lobmeyer et al, Dynamique des joints de grains entraînée par la circulation induite magnétiquement à l’interface vide des cristaux colloïdaux 2D, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn5715