La physique

Une feuille de métal capable de souder ses propres fissures peut ressembler à un concept tiré des pages d'un roman de science-fiction. Mais cette auto-guérison est exactement ce que Brad Boyce des Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique et ses collègues ont récemment capturé lors d'expériences explorant les propriétés des films de platine endommagés [1]. Leurs observations sont une première sur ce comportement, qui pourrait avoir des implications pour le développement d’infrastructures résistantes à la fatigue mécanique.

Au fil des années, divers scientifiques ont émis l’hypothèse que, dans un environnement non oxydant, toute fissure qui se développe dans un métal devrait se refermer d’elle-même. On prévoit que cette soi-disant auto-guérison se produira si les atomes sont ramenés à proximité alors que les contraintes de compression locales poussent les atomes à reformer leurs liaisons. «Le processus s'apparente au soudage à froid», explique Boyce, c'est-à-dire lorsque des matériaux sous vide adhèrent ensemble sans l'aide de la fusion ou de la chaleur. Mais jusqu’à présent, personne n’avait vu cette soudure s’effectuer.

Boyce et son équipe sont tombés sur leur observation en étudiant une propriété connexe des métaux : comment les joints de grains dans une feuille cristalline de platine d'une épaisseur nanométrique se déplacent et changent de forme lorsque le matériau est soumis à une charge cyclique. En réalisant des expériences à température ambiante et dans l’environnement sous vide d’un microscope électronique, l’équipe a remarqué que les fissures de fatigue formées lors du chargement s’agrandissaient puis reculaient.

L’équipe a également observé que les fissures cicatrisées ne se rouvriraient pas. Au contraire, à mesure que le chargement cyclique se poursuivait, les fissures ultérieures suivaient leur propre chemin. Le matériau semblait se « guérir » de lui-même. «C'était vraiment stupéfiant pour moi», dit Boyce. L’équipe a également exploré le comportement d’auto-guérison du cuivre, trouvant des preuves que les fissures dans le cuivre peuvent également se refermer.

Boyce dit que les observations de l'équipe suggèrent que les positions des atomes dans le matériau se sont reconfigurées au cours du processus de guérison, entraînant un changement dans la trajectoire du chemin le plus faible, et ajoute que des études supplémentaires seront nécessaires pour expliquer pleinement ce comportement. Boyce dit que, bien qu'il ne puisse pas encore spéculer sur la question de savoir si les propriétés mécaniques de la feuille de platine ont changé en raison de la fissuration, de la cicatrisation et de la reconfiguration, les observations suggèrent que la cicatrisation a en quelque sorte rendu la région locale autour d'une fissure fermée plus résistante à la fatigue.

Bien que l'idée d'un métal auto-réparateur puisse évoquer des idées passionnantes sur des ponts capables de réparer les fissures qui se forment dans leurs structures, évitant ainsi un effondrement dévastateur, ou sur des voitures qui sortent intactes d'accidents, le processus de ressoudage n'a pas encore été observé dans des conditions atmosphériques. . Reinhard Pippan, physicien à la retraite de l'Académie autrichienne des sciences, suggère que l'exposition à l'air entraînerait une oxydation aux limites de la fissure. La théorie indique que cette oxydation devrait empêcher l’auto-guérison. Mais si des fissures se formaient à l’intérieur du métal, le même comportement pourrait être observé.

Boyce dit que lui et son équipe disposent d'un autre microscope électronique qui peut être utilisé pour réaliser des expériences dans l'air. Ils prévoient d’utiliser l’outil pour étudier le processus d’auto-guérison dans un environnement contenant de l’oxygène. Des expériences sur des blocs métalliques plus grands sont également nécessaires pour voir comment le phénomène se produit sur des systèmes pertinents pour des applications réelles, telles que le développement de structures marines et d'autres infrastructures. Il existe un très grand nombre d'industries qui s'intéressent aux métaux plus résistants à la fatigue, explique Boyce. Mais il ajoute : « de nombreuses recherches sont encore nécessaires avant de pouvoir commercialiser ce [phénomène] et en tirer pleinement parti. »

-Allison Gasparini

Allison Gasparini est une rédactrice scientifique indépendante basée à Santa Cruz, en Californie.

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