Les alliages à haute entropie ou HEA se composent de cinq éléments métalliques différents ou plus et constituent une classe de matériaux extrêmement intéressante avec une grande diversité d’applications potentielles. Étant donné que les propriétés macroscopiques des HEA dépendent fortement des interactions interatomiques, les chercheurs peuvent sonder leur structure locale et leur désordre structurel autour de chaque élément individuel par des techniques spécifiques à l’élément.
Maintenant, une équipe a examiné un alliage dit de Cantor, un système modèle pour étudier les effets de haute entropie aux échelles locale et macroscopique.
Une boîte à outils chez BESSY II
Pour étudier l’environnement local des composants individuels, l’équipe a utilisé la spectroscopie d’absorption des rayons X multi-bords (EXAFS) à BESSY II, puis la méthode inverse de Monte Carlo pour analyser les données collectées. Les propriétés magnétiques de chaque élément de l’alliage ont également été sondées à l’aide de la technique de dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD).
Par magnétométrie conventionnelle, les scientifiques ont prouvé la présence de transitions de phases magnétiques et trouvé des signatures d’un ordre magnétique complexe avec une coexistence de différentes phases magnétiques.
Tendances communes dans les échantillons en vrac et les nanofilms
Les résultats du film nanocristallin examiné fait de cet alliage démontrent certaines tendances communes par rapport à un échantillon en vrac, par exemple, les plus grandes relaxations de réseau du chrome et le comportement magnétique toujours intrigant du manganèse, qui sont cohérents avec le comportement magnétique macroscopique du film.
« Les alliages à haute entropie sont une classe de matériaux extrêmement diversifiée et passionnante », déclare le Dr Alevtina Smekhova, physicienne au HZB et première auteure de l’article. « En sondant le comportement des composants individuels à l’échelle atomique, nous obtiendrions des indices précieux pour le développement ultérieur de nouveaux systèmes complexes avec la multifonctionnalité souhaitée », dit-elle.
Trois questions simples au Dr Alevtina Smekhova, premier auteur de l’étude :
Que sont les alliages à haute entropie ?
L’idée principale de toute la classe des matériaux « à haute entropie » est de mélanger cinq éléments ou plus et de voir comment les propriétés macroscopiques vont changer. Quand il y a autant d’éléments dans un matériau, il n’est pas possible de dire qu’il y a une « matrice » et qu’il y a un « matériau dilué », donc tous les éléments sont en quelque sorte « égaux » pour la solution solide, mais se comportent toujours différemment en raison à leurs propriétés individuelles comme la taille, la charge, le nombre d’électrons, l’électronégativité, etc.
Pourquoi ces HEA sont-ils si intéressants ?
Il a été constaté que de nombreuses propriétés macroscopiques telles que la dureté mécanique, la résistance à l’irradiation, l’activité catalytique et bien d’autres sont considérablement améliorées par rapport aux alliages conventionnels. Et il semble que toutes ces propriétés soient liées au nombre de configurations locales, qui est énorme – des milliards – en raison du nombre d’éléments.
Y a-t-il déjà une idée de comment les utiliser ?
Oui bien sûr. Ces alliages sont résistants à la chaleur et aux radiations et pourraient être utilisés comme différents revêtements pour des conditions extrêmes, par exemple dans les réacteurs ou dans l’aviation. Des expériences chimiques récentes ont montré que les HEA sont bons pour les applications d’énergie renouvelable et pour la catalyse, par exemple pour la séparation de l’eau. De nombreuses personnes recherchent actuellement de nouvelles propriétés et applications, et le facteur clé pour faire progresser le domaine est la compréhension du comportement des composants individuels de l’alliage à l’échelle atomique. Et avec les rayons X d’un synchrotron, il est possible de trouver des réponses à presque toutes ces questions.
La recherche a été publiée dans Nano-recherche.
Structure locale et propriétés magnétiques d’un film mince d’alliage de Cantor nanocristallin riche en Mn jusqu’à l’échelle atomique, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-5135-3