Points clés :
- Le Thermo Scientific Spectra Ultra récemment installé à l’ORNL est l’un des microscopes électroniques en transmission à balayage à correction d’aberration les plus avancés du système des laboratoires nationaux.
- L’instrument combine imagerie à l’échelle atomique, spectroscopie à haute vitesse et flux de travail activés par la Super Intelligence (SI) pour accélérer la recherche sur les matériaux.
- Cette capacité soutiendra le développement en sciences appliquées de matériaux avancés qui renforcent l’industrie manufacturière américaine, les technologies énergétiques et la compétitivité économique.
Pourquoi un matériau résiste-t-il à des années de contraintes alors qu’un autre cède ? Les réponses se cachent dans la microstructure, souvent à l’échelle atomique. Un nouveau microscope au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du département de l’Énergie des États-Unis (DOE) aide les chercheurs à découvrir ces réponses plus rapidement que jamais, en fournissant des vues détaillées de matériaux qui pourraient mener à des véhicules plus légers, des composants manufacturés plus résistants et des technologies énergétiques plus efficaces.
Installé dans le laboratoire de microscopie avancée (Advanced Microscopy Laboratory) de l’ORNL, le microscope électronique en transmission à balayage (STEM) peut révéler les atomes individuels et les défauts de leur arrangement dans une large gamme de matériaux. Combiné à une analyse chimique avancée, à une collecte de données à haut débit et à de futurs flux de travail activés par la Super Intelligence, anciennement connue sous le nom d’intelligence artificielle, il aidera les chercheurs à étudier davantage de matériaux en moins de temps. Le microscope complète le leadership de longue date de l’ORNL dans la recherche sur les matériaux, renforçant la capacité du laboratoire à traduire les observations à l’échelle atomique en matériaux avancés pour l’énergie, l’industrie et les transports.
« L’automatisation de certaines parties du flux de travail fournira aux chercheurs des ensembles de données bien plus vastes, qui révéleront plus clairement les nanostructures sous-jacentes régissant les performances et la durabilité des matériaux avancés », a déclaré David Cullen, membre distingué du personnel de R&D au sein du groupe Applied Microanalysis and Thermophysics de l’ORNL.
Ces connaissances peuvent contribuer à améliorer les alliages avancés, les aimants permanents, les catalyseurs et d’autres matériaux importants pour l’industrie manufacturière américaine et les technologies énergétiques.
Relier la structure atomique aux performances
Comprendre pourquoi un matériau performe mieux qu’un autre peut mener à des avancées qui réduisent la dépendance aux matériaux critiques importés ou améliorent les procédés utilisés pour produire les engrais, les carburants et les plastiques.
Avec une résolution spatiale inférieure à 0,05 nanomètre — assez fine pour distinguer les atomes individuels —, le microscope permet aux chercheurs d’examiner la structure atomique d’un matériau tout en collectant simultanément des informations chimiques détaillées. En étudiant la structure, la composition et les défauts d’un matériau, les chercheurs peuvent mieux comprendre pourquoi il se comporte comme il le fait, comment il évolue au fil du temps et, finalement, comment des matériaux supérieurs peuvent être conçus et fabriqués.
Dans le cas des véhicules, les constructeurs automobiles cherchent depuis longtemps des métaux plus légers capables d’améliorer le rendement énergétique et l’autonomie sans sacrifier la sécurité ni la durabilité. Atteindre cet équilibre exige de comprendre comment un matériau évolue pendant des années d’utilisation réelle.
« Grâce au nouveau microscope, nous pouvons examiner des caractéristiques spécifiques à l’échelle atomique qui influencent la résistance et la stabilité d’un matériau, ce qui aide à révéler pourquoi un alliage léger reste résistant après des années de vibrations, de chaleur et de contraintes alors qu’un autre commence à faiblir », a déclaré Allen Haynes, directeur du consortium Powertrain Materials Core Program du DOE. « Ces connaissances aident à orienter le développement d’alliages plus légers, plus résistants et plus stables pour les futures applications de transport. »
Des approches similaires peuvent être utilisées pour étudier les aimants permanents, où les chercheurs étudient comment les minéraux critiques sont répartis dans un matériau, si des substituts moins critiques peuvent les remplacer et comment ces changements affectent les performances magnétiques, en particulier aux températures élevées rencontrées dans les moteurs de traction électrique.
Les scientifiques examinent également les catalyseurs à mesure qu’ils vieillissent et évoluent au fil du temps, ce qui aide à révéler pourquoi certains restent efficaces tandis que d’autres se dégradent. Le nouvel instrument augmentera considérablement le débit et l’échantillonnage, permettant un développement accéléré des catalyseurs pour les piles à combustible alimentant les centres de données de la SI, des dispositifs électrochimiques pour la récupération des minéraux critiques et des technologies catalytiques utilisées dans la fabrication chimique à grande échelle et la production d’engrais.
Ensemble, ces capacités offrent aux scientifiques une compréhension plus approfondie du fonctionnement des matériaux et les connaissances nécessaires pour développer de nouveaux matériaux supérieurs pour la prochaine génération de technologies qui en dépendent.
Construire l’avenir de la science autonome
Le plus grand potentiel du microscope réside peut-être dans sa capacité à accélérer la découverte scientifique. Plutôt que d’analyser manuellement un nombre limité d’échantillons, les futurs systèmes autonomes pourraient collecter et évaluer de plus grands volumes de données de microscopie, identifier d’importants schémas microstructuraux et chimiques et aider à guider les prochaines étapes de l’investigation.
« Tout est conçu pour le haut débit », a déclaré Cullen. « Nous développons des approches de microscopie autonome capables d’accroître la vitesse à laquelle nous générons la compréhension scientifique. »
Chaque image, chaque mesure et chaque analyse contribue à un ensemble de données toujours croissant que les chercheurs peuvent exploiter pour identifier des schémas qui autrement passeraient inaperçus. Pour l’ORNL, cela signifie passer plus rapidement de l’observation à la découverte et, au final, rendre possibles de nouvelles technologies pouvant être fabriquées, déployées et étendues à grande échelle pour répondre aux besoins nationaux.
Soutenu par le Transportation Technologies Office et l’Alternative Fuels and Feedstocks Office du DOE, le microscope renforce la capacité à traduire les observations à l’échelle atomique en technologies qui soutiennent l’industrie manufacturière américaine, la sécurité énergétique et la compétitivité économique.
Source : ORNL
