Une forme rare de cristal a été découverte pour augmenter la résistance du métal imprimé en 3D
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- Des chercheurs du NIST (National Institute of Standards and Technology) ont découvert des motifs atomiques spéciaux appelés quasi-cristaux dans des alliages d'aluminium imprimés en 3D.
- Les chercheurs ont découvert que les quasi-cristaux augmentent la résistance de l'aluminium imprimé en 3D, ce qui permet de l'utiliser dans des objets légers et très résistants tels que des pièces d'avion.
- Autrefois considérés comme impossibles, les quasicristaux ont été découverts au NIST, ce qui leur a valu le prix Nobel de chimie en 2011.
Les quasicristaux découverts dans cette étude forment les angles d'une forme à 20 côtés appelée icosaèdre. Pour prouver la découverte d'un icosaèdre, Andrew Iams a dû faire pivoter l'échantillon sous son microscope afin de démontrer une symétrie de rotation d'ordre cinq, trois et deux. Cette animation présente ces trois vues d'un icosaèdre, ainsi que l'aspect des cristaux observés au microscope sous trois angles différents.
Andrew Iams a observé quelque chose d'étrange en observant au microscope électronique. Il examinait un fragment d'un nouvel alliage d'aluminium à l'échelle atomique, cherchant la clé de sa résistance, lorsqu'il a remarqué que les atomes étaient disposés selon une configuration extrêmement inhabituelle. « C'est là que j'ai commencé à m'enthousiasmer », a déclaré Iams, ingénieur en recherche sur les matériaux, « car je pensais avoir affaire à un quasicristal. »
Non seulement il a découvert des quasicristaux dans cet alliage d'aluminium, mais lui et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert que ces quasicristaux le rendaient également plus résistant. Ils ont publié leurs résultats dans le Journal of Alloys and Compounds .
L'alliage formé dans les conditions extrêmes de l'impression 3D métal constitue une nouvelle méthode de fabrication de pièces métalliques. Comprendre cet aluminium à l'échelle atomique permettra de créer une toute nouvelle catégorie de pièces imprimées en 3D, telles que des composants d'avion , des échangeurs de chaleur et des châssis de voiture. Cela ouvrira également la voie à la recherche sur de nouveaux alliages d'aluminium utilisant des quasicristaux pour leur résistance.
Que sont les quasi-cristaux ?
Les quasi-cristaux sont comme des cristaux ordinaires, mais avec quelques différences clés.
Un cristal traditionnel est un solide constitué d'atomes ou de molécules disposés selon des motifs répétitifs. Le sel de table est un cristal courant, par exemple. Les atomes du sel se lient pour former des cubes, et ces cubes microscopiques se lient pour former des cubes plus grands, suffisamment grands pour être visibles à l'œil nu.
Ce motif de carreaux de Penrose présente certaines propriétés similaires à celles des quasicristaux. Bien que l'image soit composée de quelques formes de base identiques, le motif global ne se répète jamais.
Crédit : elfinadesign/Shutterstock
Il n'existe que 230 façons pour les atomes de former des motifs cristallins répétitifs. Les quasi-cristaux ne s'intègrent à aucune d'entre elles. Leur forme unique leur permet de former un motif qui remplit l'espace, mais ne se répète jamais.
Dan Shechtman, spécialiste des matériaux au Technion-Institut israélien de technologie, a découvert les quasi-cristaux lors d'un congé sabbatique au NIST dans les années 1980. De nombreux scientifiques de l'époque pensaient que ses recherches étaient erronées, car les nouvelles formes cristallines qu'il avait découvertes n'étaient pas possibles selon les règles habituelles de la cristallographie. Mais grâce à des recherches minutieuses, Shechtman a prouvé sans l'ombre d'un doute l'existence de ce nouveau type de cristal, révolutionnant ainsi la cristallographie et remportant le prix Nobel de chimie en 2011 .
Travaillant dans le même bâtiment que Shechtman des décennies plus tard, Andrew Iams a trouvé ses propres quasi-cristaux en aluminium imprimé en 3D.
Comment fonctionne l’impression 3D métal ?
Il existe plusieurs méthodes d'impression 3D de métaux, mais la plus courante est la « fusion sur lit de poudre ». Son principe est le suivant : de la poudre métallique est étalée uniformément en une fine couche. Un laser puissant passe ensuite sur la poudre pour la faire fondre. Une fois la première couche terminée, une nouvelle couche de poudre est étalée par-dessus et le processus se répète. Couche après couche, le laser fait fondre la poudre pour obtenir une forme solide.
Banc d'essai d'imprimante 3D du NIST
Cette imprimante 3D fabrique des objets en faisant fondre une fine poudre métallique à l'aide d'un laser. La surface est d'abord recouverte de poudre métallique. Un laser haute puissance fait ensuite fondre cette poudre selon un motif précis. Le processus est répété des centaines, voire des milliers de fois, pour construire la pièce métallique couche par couche. Enfin, une fois l'objet terminé, l'excédent de poudre est retiré. Crédit : Jennifer Lauren Lee/NIST
L'impression 3D crée des formes impossibles à obtenir avec d'autres méthodes. Par exemple, en 2015, GE a conçu des buses de carburant pour moteurs d'avion, exclusivement réalisées par impression 3D métal. La nouvelle buse constituait une avancée majeure. Sa forme complexe était sortie de l'imprimante sous la forme d'une seule pièce légère. En revanche, la version précédente, composée de 20 pièces distinctes, était 25 % plus lourde. À ce jour, GE a imprimé des dizaines de milliers de ces buses de carburant, démontrant ainsi le potentiel commercial de l'impression 3D métal.
L'une des limites de l'impression 3D métal est qu'elle ne fonctionne qu'avec un nombre limité de métaux. « Les alliages d'aluminium à haute résistance sont quasiment impossibles à imprimer », explique Fan Zhang, physicien au NIST et co-auteur de l'article. « Ils ont tendance à se fissurer, ce qui les rend inutilisables. »
Pourquoi est-il difficile d’imprimer de l’aluminium ?
L'aluminium normal fond à des températures d'environ 700 degrés C. Les lasers d'une imprimante 3D doivent augmenter la température beaucoup, beaucoup plus haut : au-delà du point d'ébullition du métal, 2 470 degrés C. Cela modifie de nombreuses propriétés du métal, d'autant plus que l'aluminium chauffe et refroidit plus rapidement que les autres métaux.
En 2017, une équipe des laboratoires HRL, basés en Californie, et de l'Université de Californie à Santa Barbara a découvert un alliage d'aluminium à haute résistance pouvant être imprimé en 3D. Ils ont constaté que l'ajout de zirconium à la poudre d'aluminium empêchait les pièces imprimées en 3D de se fissurer, créant ainsi un alliage robuste.
Les chercheurs du NIST ont cherché à comprendre à l'échelle atomique ce nouvel alliage aluminium-zirconium imprimé en 3D, disponible dans le commerce. « Pour pouvoir utiliser ce nouveau métal dans des composants critiques tels que des pièces d'avions militaires, nous devons comprendre en profondeur la structure des atomes », a déclaré Zhang.
L'équipe du NIST a voulu comprendre ce qui rendait ce métal si résistant. Il s'est avéré qu'une partie de la réponse résidait dans les quasi-cristaux.
Comment les quasi-cristaux rendent-ils l’aluminium plus résistant ?
Dans les métaux, les cristaux parfaits sont fragiles. Leurs motifs réguliers facilitent le glissement des atomes les uns sur les autres. Lorsque cela se produit, le métal se plie, s'étire ou se brise. Les quasi-cristaux brisent la structure régulière des cristaux d'aluminium, provoquant des défauts qui renforcent le métal.
Image au microscope électronique de l'alliage d'aluminium de l'étude. Les zones gris clair représentent des sections de cristaux traditionnels au sein de l'alliage d'aluminium, tandis que les points noirs correspondent aux sections où le NIST a détecté des quasi-cristaux. Des lignes noires sinueuses émanent des sections de quasi-cristaux. Ces lignes sont des défauts qui brisent la structure des cristaux traditionnels dans l'alliage, augmentant ainsi sa résistance.
Crédit : NIST
La science de la mesure derrière l'identification d'un quasicristal
En observant les cristaux sous le bon angle, Iams a constaté qu'ils présentaient une symétrie de rotation d'ordre cinq. Cela signifie qu'il existe cinq façons de faire tourner le cristal autour d'un axe pour qu'il ait la même apparence.
« La symétrie d'ordre cinq est très rare. C'était le signe révélateur de la présence possible d'un quasicristal », explique Iams. « Mais nous n'avons pu en être totalement convaincus avant d'obtenir des mesures exactes. » Pour confirmer la présence d'un quasicristal, Iams a dû faire pivoter soigneusement le cristal au microscope et démontrer qu'il présentait également une symétrie d'ordre trois et une symétrie d'ordre deux sous deux angles différents.
« Maintenant que nous avons cette découverte, je pense qu'elle ouvrira une nouvelle voie pour la conception des alliages », déclare Zhang. « Nous avons montré que les quasi-cristaux peuvent renforcer l'aluminium. On pourrait maintenant essayer de les créer intentionnellement dans de futurs alliages. »