Les dislocations : ces défauts qui voyagent plus vite que le son

Mettant fin à un demi-siècle de débat, des chercheurs ont découvert que de minuscules défauts linéaires peuvent se propager à travers un matériau plus rapidement que les ondes sonores. Ces défauts linéaires, ou dislocations, confèrent aux métaux leur résistance et leur malléabilité, mais peuvent également provoquer des défaillances catastrophiques des matériaux.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives sur les types de dommages inhabituels que ces dislocations pourraient causer à divers matériaux dans des conditions extrêmes.

La vitesse des dislocations

Les scientifiques débattent depuis près de 60 ans pour savoir si les dislocations peuvent se propager à travers les matériaux plus rapidement que le son. Plusieurs études ont conclu qu’elles ne le pouvaient pas, tandis que certains modèles informatiques indiquaient que oui, à condition qu’elles commencent à se déplacer à une vitesse supérieure à celle du son. Pour atteindre instantanément cette vitesse, un choc considérable serait nécessaire.

Le son se propage beaucoup plus rapidement à travers les matériaux solides qu’à travers l’air ou l’eau, en fonction de la nature et de la température du matériau, entre autres facteurs. Alors que la vitesse du son dans l’air est généralement de 1 225 km/h, elle est de 5 400 km/h dans l’eau et d’un incroyable 64 000 km/h dans le diamant, le matériau le plus dur de tous.

Une onde de choc traversant un matériau peut créer des défauts appelés dislocations – de minuscules déplacements dans le cristal du matériau qui se propagent à travers lui, laissant derrière eux ce que l’on appelle des défauts d’empilement. À gauche, l’arrangement régulier des atomes du matériau n’est pas perturbé. À droite, les dislocations se sont déplacées de gauche à droite dans le matériau, créant un défaut d’empilement (violet) où les couches adjacentes du cristal ne s’alignent pas tout à fait comme elles le devraient. Credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Expériences sur le diamant

Pour obtenir les premières images directes de la vitesse à laquelle les dislocations peuvent se propager, l’équipe de chercheurs a réalisé des expériences sur de minuscules cristaux de diamant synthétique. Le diamant offre une plateforme unique pour étudier la manière dont les matériaux cristallins échouent. Sa mécanique de déformation est plus simple que celle observée dans les métaux, ce qui facilite l’interprétation de ces expériences d’imagerie ultra-rapide aux rayons X.

Les chercheurs ont utilisé des rayons X pour découvrir que les dislocations se propagent à travers le diamant plus rapidement que la vitesse des ondes sonores transversales, un phénomène qui n’avait jamais été observé auparavant dans aucun matériau.

Pour obtenir les premières images directes de la vitesse de déplacement des dislocations, les chercheurs ont utilisé un faisceau laser intense pour provoquer des ondes de choc à travers des cristaux de diamant. Ils ont ensuite utilisé un faisceau laser à rayons X pour réaliser une série d’images radiographiques de la formation et de la propagation des dislocations sur une échelle de temps de quelques milliardièmes de seconde. Les images, semblables aux rayons X médicaux qui révèlent l’intérieur du corps, ont été enregistrées sur un détecteur. Credit: K. Katagiri/Stanford University

En synthèse

Les résultats de cette étude pourraient suggérer que ce que l’on pensait savoir sur la défaillance la plus rapide possible des matériaux était erroné. Les chercheurs prévoient désormais de retourner dans une installation de laser à électrons libres à rayons X, telle que SACLA ou LCLS du SLAC, pour voir si les dislocations peuvent se déplacer plus rapidement que la vitesse longitudinale supérieure du son dans le diamant, ce qui nécessitera des chocs laser encore plus puissants. S’ils parviennent à franchir cette barrière sonore, ils seront considérés comme véritablement supersoniques.

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Cette image radiographique – semblable à une radiographie médicale, mais prise à une vitesse ultrarapide avec un laser à rayons X – montre des ondes de choc se propageant à travers un cristal de diamant. L’onde initiale est élastique. L’onde plastique suit, créant des défauts dans le matériau, appelés dislocations, qui se propagent dans le matériau à une vitesse supérieure à celle du son. La flèche montre la trajectoire et la direction d’une dislocation, qui a laissé dans son sillage un défaut linéaire appelé défaut d’empilement. La dislocation elle-même est visible à la pointe de la flèche. D’autres défauts d’empilement peuvent être observés en éventail à partir du site du choc laser. Credit: K. Katagiri/Stanford University

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’une dislocation ?

Une dislocation est un défaut linéaire dans un matériau cristallin. Les dislocations confèrent aux métaux leur résistance et leur malléabilité, mais peuvent également provoquer des défaillances catastrophiques des matériaux.

2. Les dislocations peuvent-elles se propager plus rapidement que le son ?

Oui, des chercheurs ont découvert que les dislocations peuvent se propager à travers un matériau plus rapidement que les ondes sonores, un phénomène jamais observé auparavant.

3. Comment les chercheurs ont-ils étudié la vitesse des dislocations ?

Les chercheurs ont réalisé des expériences sur de minuscules cristaux de diamant synthétique en utilisant des rayons X pour mesurer la vitesse à laquelle les dislocations se propagent à travers le diamant.

4. Pourquoi le diamant a-t-il été choisi pour ces expériences ?

Le diamant offre une plateforme unique pour étudier la manière dont les matériaux cristallins échouent. Sa mécanique de déformation est plus simple que celle observée dans les métaux, ce qui facilite l’interprétation de ces expériences d’imagerie ultra-rapide aux rayons X.

5. Quelles sont les implications de cette découverte ?

Les résultats de cette étude pourraient remettre en question ce que l’on pensait savoir sur la défaillance la plus rapide possible des matériaux. Les chercheurs prévoient d’étudier si les dislocations peuvent se déplacer plus rapidement que la vitesse longitudinale supérieure du son dans le diamant, ce qui nécessitera des chocs laser encore plus puissants.

Légende de l’image : Un faisceau laser intense (en haut à droite) frappe un cristal de diamant, créant des ondes de choc (lignes courbes) et des défauts linéaires appelés dislocations qui se propagent plus rapidement que la vitesse du son. Les dislocations laissent des défauts d’empilement – des lignes s’écartant du point d’impact – derrière elles. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Source : https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563

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