Les fissures microscopiques disparaissent dans les expériences, révélant la possibilité de machines d’auto-guérison
Les scientifiques ont pour la première fois vu des morceaux de métal se fissurer, puis fusionner sans aucune intervention humaine, renversant ainsi les théories scientifiques fondamentales. Si le phénomène nouvellement découvert peut être exploité, il pourrait inaugurer une révolution technique – une révolution dans laquelle les moteurs, les ponts et les avions « auto-cicatrisants » pourraient inverser les dommages causés par l’usure, les rendant plus sûrs et plus durables.
L’équipe de recherche des Sandia National Laboratories et de la Texas A&M University a décrit ses découvertes aujourd’hui dans la revue Nature.
« C’était absolument époustouflant à regarder de première main », a déclaré Brad Boyce, scientifique des matériaux chez Sandia.
« Ce que nous avons confirmé, c’est que les métaux ont leur propre capacité intrinsèque et naturelle à se guérir, du moins dans le cas de dommages par fatigue à l’échelle nanométrique », a ajouté Brad Boyce.
Les dommages causés par la fatigue sont l’une des façons dont les machines s’usent et finissent par se casser. Des contraintes ou des mouvements répétés provoquent la formation de fissures microscopiques. Au fil du temps, ces fissures se développent et se propagent jusqu’à ce que – snap ! L’ensemble de l’appareil se casse, ou dans le jargon scientifique, il échoue.
La fissure que Brad Boyce et son équipe ont vue disparaître était l’une de ces fractures minuscules mais conséquentes – mesurées en nanomètres.
« Des joints de soudure dans nos appareils électroniques aux moteurs de nos véhicules en passant par les ponts sur lesquels nous roulons, ces structures échouent souvent de manière imprévisible en raison d’une charge cyclique qui conduit à l’initiation de fissures et à une éventuelle fracture », précise Brad Boyce. « Lorsqu’ils tombent en panne, nous devons faire face à des coûts de remplacement, à des pertes de temps et, dans certains cas, à des blessures ou à des pertes de vie. L’impact économique de ces échecs se mesure en centaines de milliards de dollars chaque année pour les États-Unis.
Bien que les scientifiques aient créé des matériaux auto-cicatrisants, principalement des plastiques, la notion de métal auto-cicatrisant a largement été du domaine de la science-fiction.
« Les fissures dans les métaux devaient toujours grossir, pas plus petites. Même certaines des équations de base que nous utilisons pour décrire la croissance des fissures excluent la possibilité de tels processus de guérison », lance Brad Boyce.
Découverte inattendue confirmée par le créateur de la théorie
En 2013, Michael Demkowicz – alors professeur adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, maintenant professeur titulaire à Texas A&M – a commencé à s’attaquer à la théorie des matériaux conventionnels. Il a publié une nouvelle théorie, basée sur les résultats de simulations informatiques, selon laquelle, dans certaines conditions, le métal devrait être capable de souder des fissures fermées formées par l’usure.
Le vert marque l’endroit où une fissure s’est formée, puis fusionnée dans ce rendu artistique de l’auto-guérison à l’échelle nanométrique dans le métal, découvert aux laboratoires nationaux de Sandia. Les flèches rouges indiquent la direction de la force de traction qui a déclenché de manière inattendue le phénomène.
La découverte que sa théorie était vraie est venue par inadvertance au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisateur du Département de l’énergie exploitée conjointement par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos.
« Nous ne le cherchions certainement pas », lance Brad Boyce.
Khalid Hattar, maintenant professeur agrégé à l’Université du Tennessee à Knoxville, et Chris Barr, qui travaille maintenant pour le Bureau de l’énergie nucléaire du Département de l’énergie, dirigeaient l’expérience à Sandia lorsque la découverte a été faite.
Ils voulaient seulement évaluer comment les fissures se formaient et se propageaient à travers un morceau de platine à l’échelle nanométrique en utilisant une technique de microscope électronique spécialisée qu’ils avaient développée pour tirer à plusieurs reprises sur les extrémités du métal 200 fois par seconde.
Étonnamment, environ 40 minutes après le début de l’expérience, les dégâts se sont inversés. Une extrémité de la fissure a fusionné comme si elle revenait sur ses pas, ne laissant aucune trace de l’ancienne blessure. Au fil du temps, la fissure s’est régénérée dans une direction différente.
Khalid Hattar l’a qualifié de « perception sans précédent ».
Brad Boyce, qui était au courant de la théorie, a partagé ses découvertes avec Michael Demkowicz.
« J’étais très heureux de l’entendre, bien sûr », a déclaré Michael Demkowicz. Le professeur a ensuite recréé l’expérience sur un modèle informatique, prouvant que le phénomène observé à Sandia était le même qu’il avait théorisé des années plus tôt.
Leur travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l’énergie, Sciences énergétiques fondamentales; la National Nuclear Security Administration et la National Science Foundation.
Beaucoup reste inconnu sur le processus d’auto-guérison, y compris s’il deviendra un outil pratique dans un environnement de fabrication.
« La mesure dans laquelle ces résultats sont généralisables fera probablement l’objet de recherches approfondies », souligne Brad Boyce. «Nous montrons que cela se produit dans les métaux nanocristallins sous vide. Mais nous ne savons pas si cela peut également être induit dans les métaux conventionnels dans l’air.
Pourtant, malgré toutes les inconnues, la découverte reste un bond en avant à la frontière de la science des matériaux.
« J’espère que cette découverte encouragera les chercheurs en matériaux à considérer que, dans les bonnes circonstances, les matériaux peuvent faire des choses auxquelles nous ne nous attendions pas », conclut Michael Demkowicz.
https://newsreleases.sandia.gov/healing_metals/
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06223-0
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.145501
