Pour la première fois, des scientifiques ont observé un métal qui guérit spontanément ses fissures microscopiques, un phénomène qui contredit les théories conventionnelles sur les matériaux et ouvre une nouvelle frontière dans l’ingénierie et la science des matériaux. (Concept de l’artiste.)
Des fissures microscopiques disparaissent lors d’expériences, révélant la possibilité de machines auto-cicatrisantes.
Dans une découverte révolutionnaire, des scientifiques ont pour la première fois observé un métal qui guérissait spontanément ses fissures microscopiques, bouleversant ainsi les théories traditionnelles sur les matériaux. Cette observation pourrait déboucher sur des machines auto-cicatrisantes, améliorant considérablement leur sécurité et leur durée de vie. Ce phénomène, qui confirme une théorie proposée en 2013, pourrait ouvrir la voie à une révolution dans le domaine de l’ingénierie, même si des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pleinement son applicabilité pratique.
Sommaire
Découverte d’un phénomène d’autocicatrisation des métaux
Pour la première fois, des scientifiques ont observé des morceaux de métal se fissurer spontanément puis se recoller. Cette observation révolutionnaire contredit des théories scientifiques de longue date et pourrait ouvrir la voie à une révolution dans le domaine de l’ingénierie. Si le phénomène nouvellement découvert peut être exploité, les applications potentielles sont très vastes et comprennent des moteurs, des ponts et des avions autoréparables qui pourraient réparer de manière autonome les dommages causés par l’usure, améliorant ainsi leur sécurité et leur longévité.
La découverte a été faite par une équipe de chercheurs des Sandia National Laboratories et de l’Université A&M du Texas. Leurs résultats ont été décrits le 19 juillet dans la revue Nature.
Le vert marque l’endroit où une fissure s’est formée, puis s’est ressoudée dans cette représentation artistique de l’autoréparation à l’échelle nanométrique du métal, découverte par les laboratoires nationaux Sandia. Les flèches rouges indiquent la direction de la force de traction qui a déclenché le phénomène de manière inattendue. Crédit : Dan Thompson, Sandia National Laboratories
« C’était absolument stupéfiant à observer de près », a déclaré Brad Boyce, spécialiste des matériaux à Sandia.
« Ce que nous avons confirmé, c’est que les métaux ont leur propre capacité intrinsèque et naturelle à s’auto-guérir, au moins dans le cas de dommages dus à la fatigue à l’échelle nanométrique », a déclaré Boyce.
Implications pour les dommages dus à la fatigue
Les dommages dus à la fatigue sont une cause fréquente de défaillance des machines. Ces dommages se manifestent par des fissures microscopiques qui se forment sous l’effet de contraintes ou de mouvements répétés. Au fil du temps, ces fissures s’étendent et se propagent jusqu’à ce que l’appareil se brise ou, en termes scientifiques, qu’il tombe en panne.
La fissure que Boyce et son équipe ont vu disparaître était l’une de ces fractures minuscules mais conséquentes – mesurées en nanomètres.
« Des soudures de nos appareils électroniques aux moteurs de nos véhicules, en passant par les ponts que nous empruntons, ces structures connaissent souvent des défaillances imprévisibles dues à des charges cycliques qui entraînent l’apparition de fissures et, en fin de compte, la rupture », a déclaré M. Boyce. « En cas de défaillance, 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 défaillances se mesure en centaines de milliards de dollars chaque année aux États-Unis ».
Ryan Schoell, chercheur aux Sandia National Laboratories, utilise une technique spécialisée de microscope électronique à transmission mise au point par Khalid Hattar, Dan Bufford et Chris Barr pour étudier les fissures de fatigue à l’échelle nanométrique. Crédit : Craig Fritz, Sandia National Laboratories
Révision de la théorie des matériaux
Alors que certains matériaux auto-cicatrisants, principalement des plastiques, ont été développés par des scientifiques, le concept d’un métal auto-cicatrisant est largement resté dans le domaine de la science-fiction.
« Les fissures dans les métaux étaient censées s’agrandir, et non se réduire. Même certaines des équations de base que nous utilisons pour décrire la croissance des fissures excluent la possibilité de tels processus de guérison », a déclaré M. Boyce.
Toutefois, cette notion de longue date a commencé à être remise en question en 2013 par Michael Demkowicz, alors professeur adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, aujourd’hui professeur titulaire à Texas A&M. Demkowicz a publié une nouvelle théorie, basée sur des simulations informatiques, selon laquelle, dans des conditions spécifiques, les métaux devraient être capables de fermer par soudage les fissures causées par l’usure.
Une découverte inattendue et sa confirmation
La confirmation de la théorie de Demkowicz a été apportée par inadvertance au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation du ministère de l’énergie exploitée conjointement par les laboratoires nationaux de Sandia et de Los Alamos.
« Nous ne l’avons certainement pas cherché », a déclaré M. Boyce.
Khalid Hattar, aujourd’hui professeur associé à l’université du Tennessee, à Knoxville, et Chris Barr, qui travaille aujourd’hui à l’Office de l’énergie nucléaire du ministère de l’énergie, menaient l’expérience à Sandia lorsque la découverte a été faite. Leur seul objectif était d’évaluer la formation et la propagation des fissures dans un morceau de platine à l’échelle nanométrique à l’aide d’une technique de microscopie électronique spécialisée qu’ils avaient mise au point pour tirer de manière répétée sur les extrémités du métal 200 fois par seconde.
De manière surprenante, environ 40 minutes après le début de l’expérience, les dommages se sont inversés. L’une des extrémités de la fissure s’est ressoudée comme si elle revenait sur ses pas, ne laissant aucune trace de l’ancienne blessure. Au fil du temps, la fissure s’est reformée dans une direction différente.
Hattar parle d’une « découverte sans précédent ».
Boyce, qui connaissait la théorie, a fait part de ses conclusions à Demkowicz.
« J’étais très heureux de l’entendre, bien sûr », a déclaré Demkowicz. Le professeur a ensuite recréé l’expérience sur un modèle informatique, confirmant que le phénomène observé à Sandia était le même que celui qu’il avait théorisé des années auparavant.
Leurs travaux ont été soutenus par l’Office of Science, Basic Energy Sciences, du ministère de l’énergie, par la National Nuclear Security Administration et par la National Science Foundation.
Recherches futures et inconnues
Il reste beaucoup d’inconnues sur le processus d’autoréparation, notamment sur la question de savoir 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 », a déclaré M. Boyce. « Nous montrons que cela se produit dans les métaux nanocristallins sous vide. Mais nous ne savons pas si ce phénomène peut également être induit dans les métaux conventionnels dans l’air. »
Malgré toutes les inconnues, cette 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 », a déclaré M. Demkowicz.
Référence : « Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding » par Christopher M. Barr, Ta Duong, Daniel C. Bufford, Zachary Milne, Abhilash Molkeri, Nathan M. Heckman, David P. Adams, Ankit Srivastava, Khalid Hattar, Michael J. Demkowicz et Brad L. Boyce, 19 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06223-0