Les fissures microscopiques dans le métal peuvent guérir spontanément

Les fissures microscopiques dans les métaux peuvent se guérir d'elles-mêmes, ce qui suggère que les machines auto-réparatrices pourraient un jour réparer les dommages qu'elles subissent, révèle une nouvelle étude.

Lorsque les pièces métalliques des machines sont exposées à des contraintes répétées, des fissures microscopiques se forment qui se développent et se propagent au fil du temps jusqu'à ce que les pièces se brisent. Cette fatigue est responsable de jusqu'à 90 % de toutes les pannes de structures métalliques, souvent de manière catastrophique et imprévisible.

Des recherches antérieures ont étudié les métaux capables de se réparer après application de chaleur pour activer les composants de guérison latents. Les scientifiques découvrent désormais que les fissures microscopiques du métal peuvent disparaître d’elles-mêmes.

"Cette découverte pourrait éventuellement conduire à de nouvelles stratégies pour atténuer la fissuration par fatigue dans les métaux", déclare Brad Boyce, co-auteur principal de l'étude, scientifique des matériaux au Centre pour les nanotechnologies intégrées des Laboratoires nationaux Sandia à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs de Sandia analysaient à l’origine comment des fissures se formaient et se propageaient dans des morceaux de feuille de platine de 40 nanomètres d’épaisseur maintenus sous vide. À l'aide d'un nouvel instrument développé à la demande de Sandia et pouvant s'insérer dans un microscope électronique, les chercheurs ont tiré à plusieurs reprises sur les bords du métal 200 fois par seconde pour solliciter la feuille.

Étonnamment, environ 40 minutes après le début d’une expérience, les dégâts ont inversé leur tendance. Une extrémité d’une fissure a fusionné sur 18 nm de sa longueur, ne laissant aucune trace. Au fil du temps, à mesure que l’expérience se poursuivait, la fissure s’est rouverte dans une direction différente.

Le secret de cette auto-guérison réside dans un phénomène connu sous le nom de soudage à froid. Les métaux sont maintenus ensemble par des liaisons métalliques, dans lesquelles les électrons les plus externes de chaque atome sont libres de se déplacer dans la structure globale du matériau. Cela signifie que lorsque deux morceaux de métal plats et propres entrent en contact, ils peuvent fusionner. La nature des liaisons métalliques signifie que pour les atomes et les électrons libres de chaque pièce de métal, il n’y a aucune distinction entre les deux pièces et qu’ils se comportent comme s’ils n’en formaient qu’une seule.

Le soudage à froid n'est généralement pas observé dans la vie quotidienne car les métaux finissent souvent par être recouverts de couches d'oxydes et d'autres contaminants qui l'empêchent de se produire. Cependant, cela peut entraîner des problèmes dans l'espace : par exemple, l'antenne à gain élevé de la sonde Galileo de la NASA vers Jupiter n'a pas réussi à s'ouvrir complètement en 1991 parce que des parties de celle-ci ont été fusionnées par soudage à froid.

Les scientifiques savent que le soudage à froid peut se produire lorsque les métaux sont pressés ensemble. Cependant, en 2013, des simulations informatiques réalisées par le scientifique des matériaux Michael Demkowicz, alors au MIT, et par Guoqiang Xu, alors étudiant diplômé, ont suggéré que le soudage à froid pouvait guérir les fissures microscopiques même sans compression. Les nouvelles découvertes soutiennent ces travaux antérieurs.

«J'étais ravi de voir une prédiction aussi contre-intuitive obtenir une validation expérimentale», déclare Demkowicz, maintenant à la Texas A&M University à College Station.

Boyce prévient que « ce n’était pas une grosse fissure et qu’elle ne s’est pas entièrement guérie. C’était une fissure microscopique qui ne s’est guérie d’elle-même qu’à l’extrémité de la fissure.

Pourtant, la capacité du métal à s’auto-réparer, même une fissure microscopique, pourrait trouver des applications. "Tous les dommages commencent à l'échelle nanométrique", explique Demkowicz, co-auteur principal de la nouvelle étude. "Si nous parvenons à réparer les fissures alors qu'elles sont encore petites, nous pouvons étouffer les dégâts dans l'œuf."

Les scientifiques veulent maintenant voir si cette auto-guérison peut se produire dans l'air plutôt que dans le vide et dans des alliages tels que l'acier, explique Boyce. À terme, ils aimeraient concevoir des matériaux capables de tirer intentionnellement parti de cet effet, ajoute-t-il.

Les chercheurs ont détaillé leurs conclusions le 19 juillet dans la revue Nature.