Une fissure microscopique s’est développée dans un très petit morceau de platine lorsqu’il a été soumis à des étirements répétitifs. L’expérience, conçue pour étudier la croissance des fissures de fatigue, s’est poursuivie comme prévu pendant un certain temps avant que quelque chose d’inattendu ne se produise. La fissure a cessé de croître et a commencé à se raccourcir, se « guérissant » efficacement.
Un groupe de chercheurs des Sandia National Laboratories a fait cette observation surprenante en menant des expériences de fracture sur des métaux nanocristallins. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature.
Il serait raisonnable de penser, avant cette découverte, que le métal auto-réparateur était quelque chose que l’on ne pouvait trouver que dans la science-fiction. Le Dr Michael Demkowicz, professeur au département de science et d’ingénierie des matériaux de la Texas A&M University et co-auteur de l’étude récente, n’a pas émis de telles hypothèses.
Le passé informe le présent
Il y a dix ans, alors qu’ils étaient professeur adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, Demkowicz et son étudiant ont prédit l’auto-guérison des métaux.
« Nous n’avons pas cherché à guérir. Mon élève, Guoxiang Xu, faisait des simulations sur les fractures », a déclaré Demkowicz. « Nous avons accidentellement observé une guérison spontanée dans l’une de ses simulations et avons décidé de faire un suivi. »
À l’époque comme aujourd’hui, les résultats de 2013 étaient surprenants. Demkowicz a ajouté que lui, son étudiant et ses collègues étaient tous quelque peu sceptiques quant à la théorie originale. Cependant, ses modèles de simulation connaîtront de nombreuses reproductions et extensions par d’autres chercheurs dans les années qui ont suivi.
« Il est devenu clair que les simulations n’étaient pas erronées puisque d’autres ont constaté le même effet dans leur travail de modélisation », a déclaré Demkowicz. « Cependant, jusqu’à présent, les expériences étaient hors de portée. »
Les modèles de 2013 et l’expérience récente utilisaient des métaux nanocristallins dont la structure cristalline, ou la taille des grains, était mesurée à l’échelle nanométrique. Bien qu’ils ne soient pas largement utilisés dans les applications techniques, la plupart des métaux peuvent être fabriqués sous cette forme, selon Demkowicz.
Il a en outre expliqué que les métaux nanocristallins facilitent l’étude de l’auto-guérison car leur petite taille de grain permet davantage de caractéristiques microstructurales avec lesquelles même les petites fissures peuvent interagir.
Les deux études ont montré qu’une de ces caractéristiques, les joints de grains, peut affecter la cicatrisation des fissures en fonction de la direction de migration des limites par rapport à la fissure. Demkowicz a ajouté que ces caractéristiques sont communes à de nombreux métaux et alliages et peuvent être manipulées.
Quel avenir peut venir
« Le principal impact des travaux actuels est de sortir la prédiction théorique originale de la planche à dessin et de montrer qu’elle se produit dans la réalité », a déclaré Demkowicz. « Nous n’avons pas encore vraiment commencé à optimiser les microstructures pour l’auto-guérison. Déterminer les meilleures modifications pour favoriser l’auto-guérison est une tâche difficile pour les travaux futurs. »
Les applications potentielles de ces travaux pourraient varier considérablement. Demkowicz suggère que l’auto-guérison pourrait être possible dans les métaux conventionnels présentant des grains plus grands, mais des recherches futures seront nécessaires.
Une condition commune à la théorie de 2013 et à l’expérience récente est que les deux ont été menées dans des environnements sous vide, dépourvus de corps étrangers. De telles matières extérieures pourraient interférer avec la capacité des surfaces fissurées à se lier ou à se souder à froid. Même avec cette limitation, des applications pourraient encore être possibles pour la technologie spatiale ou les fissures internes qui ne sont pas exposées à l’air extérieur.
Après une décennie d’élaboration, la théorie de Demkowicz a porté ses fruits dans l’expérience des Sandia National Laboratories. Pour la présente étude, Demkowicz a pu vérifier que le phénomène récemment observé correspondait à ses modèles de simulation originaux.
« C’est une expérience incroyable. Cependant, je pense que c’est aussi une grande victoire pour la théorie », a déclaré Demkowicz. « La complexité des matériaux rend souvent difficile la prévision de nouveaux phénomènes avec certitude. Cette découverte me donne l’espoir que nos modèles théoriques du comportement des matériaux sont sur la bonne voie. »
Plus d’information:
Christopher M. Barr et al, Guérison autonome des fissures de fatigue par soudage à froid, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06223-0