Dans l’exploration du monde de la métallurgie, des scientifiques ont été témoins d’un évènement spectaculaire : des morceaux de métal se fissurant, puis se fusionnant à nouveau sans aucune intervention humaine.
Cette découverte, qui défie les théories scientifiques fondamentales, pourrait ouvrir la voie à une véritable mutation dans le domaine de l’ingénierie. Imaginez des moteurs, des ponts et des avions capables de se régénérer après des dommages causés par l’usure, prolongeant ainsi leur durée de vie et leur sécurité.
Les chercheurs de Sandia National Laboratories et de l’Université du Texas à A&M nous font part de leur découverte dans la revue Nature.
Le mécanisme d’auto-réparation des métaux
Le phénomène observé par ces scientifiques est tout simplement stupéfiant. Selon Brad Boyce, chercheur en matériaux chez Sandia, les métaux possèdent une « capacité intrinsèque, naturelle à se réparer eux-mêmes, du moins dans le cas de dommages dus à la fatigue à l’échelle nanométrique« .
Le dommage par fatigue est un des mécanismes par lesquels les machines s’usent et finissent par se rompre. Le stress ou le mouvement répétitif provoque la formation de microfissures. Ces fissures se développent et se propagent avec le temps, jusqu’à ce que le dispositif entier se brise, ou, dans le jargon scientifique, échoue. Le groupe de recherche a observé la disparition d’une de ces fractures minuscules mais cruciales, mesurée en nanomètres.
La découverte inattendue vérifiée par le créateur de la théorie
En 2013, Michael Demkowicz, alors professeur adjoint au département de science des matériaux et d’ingénierie du MIT, a remis en question la théorie des matériaux conventionnelle. Il a publié une nouvelle théorie, basée sur des simulations informatiques, selon laquelle, sous certaines conditions, le métal devrait être capable de souder les fissures formées par l’usure.
La découverte que sa théorie était exacte est survenue de manière inattendue au Centre for Integrated Nanotechnologies, un établissement de l’Office de l’énergie du Département de l’énergie, géré conjointement par Sandia et les laboratoires nationaux de Los Alamos.
Khalid Hattar, maintenant professeur associé à l’Université du Tennessee, Knoxville, et Chris Barr, qui travaille maintenant pour l’Office de l’énergie nucléaire du Département de l’énergie, menaient l’expérience à Sandia lorsqu’ils ont fait cette découverte. Ils cherchaient simplement à évaluer comment les fissures se formaient et se propageaient à travers un échantillon de platine à l’échelle nanométrique en utilisant une technique de microscope électronique spécialisée qu’ils avaient développée.
« Les fissures dans les métaux étaient censées s’agrandir et non se réduire. Même certaines des équations de base que nous utilisons pour décrire la croissance des fissures excluent la possibilité de tels processus de guérison« , a précisé Brad Boyce.
Un pas en avant dans la science des matériaux
Il reste beaucoup à découvrir sur le processus d’auto-guérison, y compris la question de savoir s’il deviendra un outil pratique dans le cadre de la fabrication. « Dans quelle mesure ces découvertes sont généralisables fera probablement l’objet de recherches approfondies« , a ajouté Brad Boyce.
Pourtant, malgré toutes les inconnues, la découverte demeure un bond en avant à la frontière de la science des matériaux. « Mon espoir est que cette découverte encouragera les chercheurs en matériaux à envisager que, dans les bonnes circonstances, les matériaux peuvent faire des choses que nous n’attendions pas« , a conclu Michael Demkowicz.
En synthèse
Cette recherche bouleverse notre compréhension des métaux et de leur comportement face aux dommages. La découverte d’une capacité d’auto-réparation pourrait ouvrir la voie à des avancées technologiques majeures, rendant nos structures et machines plus résistantes et durables. Toutefois, de nombreuses questions demeurent et feront l’objet de recherches approfondies pour déterminer l’applicabilité de ces découvertes.
Pour une meilleure compréhension
Que signifie « dommage par fatigue » ? Il s’agit de l’usure progressive d’un matériau sous l’effet de contraintes ou de mouvements répétitifs.
Qu’est-ce que l’auto-guérison d’un métal ? C’est le processus observé où un métal est capable de « souder » des fissures formées par l’usure, essentiellement se réparant lui-même.
Quelles pourraient être les applications de cette découverte ? Si cette capacité d’auto-réparation peut être maîtrisée, elle pourrait être utilisée pour rendre les structures et machines (ponts, avions, moteurs, etc.) plus résistantes et durables.
Illustration image principale : Le vert marque l’endroit où une fissure s’est formée, puis s’est ressoudée dans cette représentation artistique de l’autoréparation à l’échelle nanométrique du métal, découverte par les laboratoires nationaux Sandia. Les flèches rouges indiquent la direction de la force de traction qui a déclenché le phénomène de manière inattendue. (Image de Dan Thompson)
