En tant que concept innovant dans la science et l’ingénierie des matériaux, l’inspiration pour les matériaux auto-réparateurs vient des organismes vivants qui ont la capacité innée de s’auto-réparer. Dans cette optique, la recherche de matériaux auto-réparateurs s’est généralement concentrée sur les matériaux « mous » comme les polymères et les hydrogels. Pour les métaux à l’état solide, on peut intuitivement imaginer que toute forme d’auto-réparation sera beaucoup plus difficile à réaliser.
Bien que quelques études antérieures aient mis en évidence le comportement d’auto-guérison des métaux qui nécessite plus ou moins l’aide de déclencheurs externes (par exemple, par chauffage, stimulus mécanique ou irradiation par faisceau d’électrons), la question de savoir si l’auto-guérison autonome peut se produire dans les solides métalliques sans aucune intervention externe reste une curiosité scientifique.
Maintenant dans une nouvelle étude publié dans MatièreDes chercheurs de l’Institut de physique (IOP) de l’Académie chinoise des sciences ont découvert qu’un tel phénomène d’auto-guérison intrinsèque et autonome peut se produire dans l’argent (Ag) à l’échelle nanométrique.
Cette étude, qui combine la microscopie électronique à transmission in situ (MET) avancée avec des simulations de dynamique moléculaire (MD), révèle que l’Ag à l’échelle nanométrique peut se réparer de manière autonome des dommages structurels, tels que les nanofissures et les nanopores, sans intervention externe.
Cette capacité remarquable est observée non seulement à température ambiante, mais également à des températures glaciales aussi basses que 173 K. Notamment, sur la même zone endommagée, les cycles d’auto-guérison réversibles répétés peuvent également être obtenus avec le même niveau d’efficacité.
Les expériences ont été réalisées dans un MET à résolution atomique en utilisant des nanofeuilles d’Ag monocristallines comme échantillons de test. Les nanopores et les nanofissures ont été fabriqués délibérément par forage in situ par faisceau d’électrons MET. Pour éviter toute intervention possible dans le processus de cicatrisation, l’échantillon de nanofeuille d’Ag a ensuite été maintenu dans un état « faisceau éteint » jusqu’à chaque instant pour l’imagerie MET par intervalles.
Un résultat intéressant et peut-être surprenant est que les deux types représentatifs de dommages structurels ont été observés comme subissant une auto-guérison rapide et autonome en quelques dizaines de minutes, les régions guéries restaurant parfaitement le réseau cristallin d’Ag avec un ordre atomiquement précis.
Contrairement à l’Ag, l’or (Au) n’a pas montré de comportement d’auto-guérison similaire à température ambiante, malgré le fait que l’Au est l’élément le plus pertinent pour l’Ag dans le tableau périodique et qu’ils partagent de nombreuses similitudes dans les propriétés physiques et chimiques.
D’autres résultats de simulation MD ont reproduit les observations expérimentales, notamment en ce qui concerne la différence de comportement de cicatrisation entre Ag et Au. Ce qui distingue Ag de Au est sa grande mobilité de diffusion de surface, une caractéristique que l’on ne retrouve généralement pas dans d’autres solides métalliques.
En utilisant la microscopie électronique en transmission (MET), les chercheurs ont pu suivre in situ les trajectoires du processus de guérison de l’Ag au niveau atomique. Grâce à une combinaison d’imagerie atomistique et de résultats de simulation théorique, la recherche met en évidence que l’auto-guérison est rendue possible par l’autodiffusion à médiation de surface des atomes d’Ag, entraînée par un déséquilibre du potentiel chimique dû à l’effet Gibbs-Thomson.
Lorsqu’une structure endommagée naissante (un nanopore ou une nanofissure) commence à exister dans une nanofeuille d’Ag, un site concave avec une courbure locale négative est créé. En raison de la dépendance générale du potentiel chimique à la courbure, le site de dommage concave aura ainsi un potentiel chimique plus faible par rapport aux zones non endommagées de la nanofeuille. Ce déséquilibre intégré du potentiel chimique pousse les atomes d’Ag à migrer et à réparer les dommages de manière autonome, mettant en évidence une forme sophistiquée d’auto-entretien du matériau.
La capacité de l’Ag à auto-réparer de manière autonome les dommages à l’échelle nanométrique à température ambiante et en dessous montre une possibilité prometteuse pour le développement de composants et de dispositifs tolérants aux dommages à l’échelle de longueur submicrométrique.
Peut-être plus important encore, dans un sens plus large, cette découverte inhabituelle au niveau mécaniste peut fournir un cadre directeur pour une compréhension plus approfondie des phénomènes et des concepts d’auto-guérison dans les solides métalliques en général.
Plus d’informations :
Jianlin Wang et al, Observation directe de l’auto-guérison autonome de l’argent, Matière (2024). DOI : 10.1016/j.matt.2024.07.009