Un verre plus résistant que l'acier

Dans le monde des matériaux, la résistance (la quantité de force qu'une substance peut supporter) et la ténacité (sa capacité à résister à la fracturation) ne sont pas simplement des attributs différents ; ils sont très difficiles à réaliser ensemble. Aujourd'hui, une collaboration de chercheurs de Caltech et du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie a créé une forme de verre qui possède les deux qualités. Il est plus solide et plus résistant que l'acier ou, en fait, tout autre matériau connu. Le matériau est composé de palladium, un métal dont l'utilisation possible dans les verres a été reconnue il y a 45 ans.

Incassable : Une micrographie électronique prise après un test de flexion. L'échantillon ne s'est pas fracturé.

C'est probablement le meilleur matériau tolérant aux dommages que nous ayons vu, dit Robert Ritchie , professeur à l'Université de Californie à Berkeley, qui a testé le nouveau matériau. Il dit que personne n'a jamais atteint une telle ténacité à partir de 100 % de verre et qu'il existe le potentiel de produire en masse le verre.

Julia Greer , professeur adjoint de science des matériaux à Caltech, qui n'a pas été impliqué dans le développement du matériau, dit qu'il a le potentiel de surmonter les limites des verres métalliques.

Le travail est décrit dans une étude publiée cette semaine dans la revue Matériaux naturels . Marios Demetriou , professeur à Caltech et auteur principal de l'article, explique que le travail consistait à trouver une version particulièrement solide de la forme de verre la plus simple, appelée verre marginal, puis à la transformer en une forme encore plus solide connue sous le nom de verre en vrac.

Ce que nous avons fait ici, c'est trouver un verre marginal très, très résistant fait de palladium avec de petites fractions de métalloïdes comme le phosphore, le silicium et le germanium, ce qui a donné des échantillons d'un millimètre d'épaisseur. Et nous venons de dire, ajoutons très peu de quelque chose qui le rendra volumineux sans le rendre cassant, dit Demetriou. En ajoutant 3,5 pour cent d'argent à ce verre marginal, Demetriou a pu augmenter l'épaisseur à six millimètres tout en maintenant sa ténacité.

Le talon d'Achille de ces verres métalliques est que lorsque vous les tirez en tension ou que vous essayez de les déformer d'une manière ou d'une autre, ils échouent de manière catastrophique, explique Greer. Cela se produit par la formation de ce que l'on appelle des bandes de cisaillement, de petits défauts qui fusionnent en des motifs semblables à des veines qui évoluent rapidement sous forme de fissures, provoquant la rupture du verre sous des contraintes extrêmement faibles. Cependant, selon les chercheurs, le verre palladium génère tellement de ces bandes qu'elles forment un motif de blocage qui empêche les fissures de se propager sans altérer les propriétés globales du matériau.

Ritchie dit qu'il pourrait être possible de combiner d'autres éléments pour fabriquer des lunettes encore meilleures. John Lewandowski , professeur de métallurgie à la Case Western Reserve University, déclare : L'un des résultats de ce projet sera de stimuler de nombreux travaux dans des domaines connexes, en examinant les détails, en les modélisant, en analysant les effets de la température ou ce qui se passe lorsque vous les testez.

La limitation est le coût très élevé du palladium. Par conséquent, selon Ritchie, bien qu'il existe d'innombrables applications structurelles qui pourraient utiliser la résistance et la ténacité élevées de ce matériau, comme les composants automobiles et aérospatiaux, nombre d'entre elles s'avéreront peu pratiques sur le marché.

Demetriou est plus optimiste. Il pense qu'il existe déjà une demande pour le verre métallique et dit qu'un produit comme un implant dentaire fabriqué à partir de ce matériau pourrait être disponible dans les cinq prochaines années. Il dit que cela offrirait une alternative supérieure aux implants traditionnels en métaux nobles, qui sont plus mous et plus rigides et donc plus susceptibles de s'user ou de provoquer une atrophie osseuse.

La première étape consiste à convaincre un fabricant que le matériau possède des attributs uniques et inhabituels, dit-il. Ensuite, une série de tests de ses performances, de sa longévité et de sa compatibilité biologique sera nécessaire avant de déterminer finalement si le prix serait compétitif.

Quant à la fabrication de structures à grande échelle comme des ponts, Demetriou dit que le coût empêcherait probablement cela. Mais il espère développer quelque chose de moins cher. Si nous développons un alliage de fer ou de cuivre avec ces propriétés, dit-il, je vais vous dire ceci : nous mettrons l'acier hors service pour toujours.

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