Recherche de matériaux dans l'espace avec participation suisse

Le verre métallique ressemble à l'or blanc en termes de couleur, mais il a la dureté du verre de quartz. En même temps, il est élastique et résiste aux sels ou aux acides. Il peut être traité par impression 3D, par exemple pour des implants médicaux, ou par moulage par injection. Mais avant d'en arriver là, il faut encore faire beaucoup de recherche sur les matériaux. A l'Empa, Antonia Neels, la directrice du centre de radiologie de l'Empa, s'intéresse à ce matériau mystérieux. Son équipe étudie la structure interne du verre métallique à l'aide de différentes méthodes de rayons X et découvre ainsi des liens avec des propriétés telles que la déformabilité ou le comportement à la rupture. Même pour les professionnels de la science des matériaux, les verres métalliques sont un casse-tête : "Plus nous regardons les échantillons de près, plus les questions surgissent", explique Antonia Neels. L'ambition des chercheurs n'en est que plus grande.

Un échantillon de verre métallique devrait être envoyé dans l'espace d'ici quelques mois. Les propriétés des matériaux sont étudiées en apesanteur sur la station spatiale internationale (ISS). Un groupe de chercheurs avec la participation de l'Empa a préparé les échantillons et les a inscrits auprès de l'agence spatiale européenne ESA pour le vol spatial. L'alliage spécial est fourni par l'entreprise PX Group de La Chaux-de-Fonds, qui fabrique des matériaux pour l'industrie horlogère et la technique dentaire. Les chercheurs Markus Mohr et Hans-Jörg Fecht de l'"Institute of Functional Nanosystems" de l'Université d'Ulm ainsi que Roland Logé du "Laboratory of Thermomechanical Metallurgy" de l'EPFL à Neuchâtel font également partie de l'équipe.

La fabrication de verre métallique n'est pas si simple : par rapport au verre à vitres, les alliages métalliques spécialement sélectionnés doivent être refroidis jusqu'à cent fois plus vite pour que les atomes de métal ne s'assemblent pas en réseaux cristallins. Ce n'est que lorsque la masse fondue se solidifie par choc qu'elle forme un verre. Dans l'industrie, de fines feuilles de verre métallique sont produites en pressant la masse fondue entre des rouleaux de cuivre tournant à grande vitesse. Les chercheurs coulent parfois leurs échantillons dans des moules en cuivre massif, qui dissipe particulièrement bien la chaleur. Mais ces méthodes ne permettent pas de réaliser des pièces plus grandes et plus massives en verre métallique.

Une solution possible pour sortir de ce dilemme est l'impression 3D selon le procédé dit du lit de poudre. Une fine poudre de l'alliage souhaité est chauffée pendant quelques millisecondes par un laser. Les grains de métal fusionnent avec leurs voisins pour former une sorte de feuille. Une fine couche de poudre est alors posée par-dessus, le laser fusionne la poudre fraîchement déposée avec la feuille sous-jacente, et c'est ainsi qu'une pièce tridimensionnelle se forme peu à peu à partir de nombreux grains de poudre brièvement chauffés.

Pour cette méthode, un dosage fin de l'impulsion laser est nécessaire. Si le laser brûle trop faiblement la poudre, les particules ne fusionnent pas entre elles et la pièce reste poreuse. Si le laser brûle trop fort, il fait fondre à nouveau les couches inférieures. La fusion multiple permet aux atomes de se réorganiser, ils forment des cristaux - et c'en est fini du verre métallique.

Pour comprendre la croissance des cristaux dans un environnement par ailleurs amorphe, les experts de l'Empa utilisent différentes méthodes de radiographie. "Avec des rayonnements de différentes longueurs d'onde, nous pouvons en savoir plus sur la structure des parties cristallines, mais aussi déterminer les phénomènes de proche ordre des atomes dans l'échantillon - autrement dit, déterminer les propriétés des liaisons chimiques", explique Neels. De plus, l'analyse d'imagerie par rayons X, appelée micro-CT, révèle des variations de densité dans l'échantillon. Cela indique une séparation des phases et la formation de cristaux. Les différences de densité entre les zones vitreuses et cristallines sont toutefois infimes. Il faut donc un traitement d'image détaillé pour pouvoir visualiser la répartition tridimensionnelle des parties cristallines.

Pourquoi faire de la recherche sur les matériaux en apesanteur ?

La recherche sur les matériaux effectuée jusqu'à présent à l'aide de procédés 3D a ses limites. La question de savoir à quelles températures les cristaux mentionnés se forment et comment ils se développent doit encore être résolue. Les paramètres thermo-physiques tels que la viscosité ou la tension de surface jouent un rôle à cet égard. Les expériences menées sur l'ISS offrent des conditions idéales pour les analyser. Afin de tester le comportement en apesanteur, les premières gouttelettes de verre métallique ont été mises en suspension à titre expérimental dès 2019, à bord d'un Airbus A310 qui effectuait un vol parabolique. Dans le cadre de l'expérience TEMPUS (processus électromagnétique sans creuset en apesanteur), la gouttelette de verre composée de palladium, de cuivre, de nickel et de phosphore a été maintenue en suspension à l'aide d'un champ magnétique et chauffée par induction jusqu'à 1500 degrés Celsius. Pendant la phase de refroidissement, deux courtes impulsions de courant d'induction ont fait vibrer la gouttelette incandescente. Une caméra a enregistré l'expérience. Après l'atterrissage, l'échantillon de matériau a été analysé au centre de radiologie de l'Empa. Mais comme des analyses plus approfondies nécessitent une durée d'apesanteur plus longue que celle qui est possible lors d'un vol parabolique, un échantillon de matériau a maintenant été inscrit pour un vol dans le module européen COLUMBUS de l'ISS. Le four à lévitation électromagnétique ISS-EML y est installé depuis 2014. Chaque fois, 18 échantillons de matériaux voyagent avec lui, sont changés automatiquement et peuvent être observés par les chercheurs sur Terre via un flux vidéo. Le verre métallique suisse partira dans l'espace avec le prochain lot d'échantillons.

Les chercheurs veulent générer une simulation informatique de la fonte à partir des données bien plus détaillées recueillies lors du vol spatial. Ainsi, toutes les réponses seront rassemblées dans un modèle unique grâce à une combinaison d'expériences sur Terre et dans l'espace : Quelle est la viscosité et la tension superficielle à quelle température ? Quand se forment des cristaux de quelle composition, taille et orientation ? Comment cette structure matérielle interne influence-t-elle les propriétés du verre métallique ? À partir de tous ces paramètres, les chercheurs veulent développer une méthode de fabrication en collaboration avec le partenaire industriel PX Group, afin de pouvoir produire le matériau tant convoité sous une forme définie. Dans les années à venir, les chercheurs en matériaux de toutes les équipes impliquées auront donc encore beaucoup à faire.

Source et informations complémentaires : Empa