Une nouvelle technique pour tester la résistance des nanomatériaux

Ces microdispositifs d’essai mécanique dits « on chip » permettent la déformation jusqu’à rupture des couches ultra minces, nanofils et autres nanomatériaux. Dans la version la plus avancée de la technique, le processus de déformation peut être suivi in situ au sein d’un microscope électronique en transmission. C’est là que l’équipe d’Anvers, une des plus réputées au monde dans le domaine de la microscopie électronique en transmission, et l’équipe de l’ULB experte dans l’analyse cristallographique en transmission, prennent le relais pour observer et quantifier les mécanismes physiques élémentaires qui se produisent aux échelles nanoscopiques et atomiques. Tous ensembles, les chercheurs ont ensuite formulé des hypothèses d’interprétation et construit des modèles physiques de compréhension.

Il aura fallu de longues années pour consolider cette technologie « on chip ». Les chercheurs recueillent aujourd’hui le fruit de travaux fastidieux de développement d’une nouvelle technique expérimentale : ils peuvent solliciter des nanomatériaux en tous genres dans des conditions jamais explorées jusqu’ici sur base d’un principe extrêmement simple d’actuation ne nécessitant aucun équipement extérieur et permettant de tester en une fois des milliers d’échantillons. Dans le cas présent, le fluage de films de palladium nanocristallins a pu être mesuré tout en observant à l’échelle atomique les mécanismes physiques responsable du phénomène. Un mécanisme inattendu lié exclusivement à des mouvements de dislocation a été observé induisant une relaxation rapide, ce qui est rare pour des matériaux avec de si faibles tailles de grain.

A quoi sert au juste cette découverte ? Toute technologie macroscopique (avion, voiture, centrale nucléaire) demande d’effectuer des essais mécaniques pour vérifier que les matériaux utilisés vont pouvoir soutenir les efforts appliqués sans se déformer ou se rompre. Il en est de même pour les composants faits de matériaux nanoscopiques ou ultra-minces. Le problème dans ce cas, c’est que la mesure de la résistance mécanique et l’observation des mécanismes est un challenge en soi vu la petitesse des éléments. Aujourd’hui, on doit transférer dans le monde nano, les procédures de conception mécanique du monde macro pour créer des structures robustes.

Cette découverte est importante par exemple dans le cadre de l’application de membranes palladium (Pd) dans les technologies hydrogènes : à l’avenir, nous pourrions utiliser des membranes de Pd pour des capteurs d’hydrogène ou comme membrane de séparation. Dans ces deux applications, la membrane ou la couche doit pouvoir supporter des chargements mécaniques sans se déformer de trop et sans se rompre. Il faut donc vérifier les propriétés mécaniques et surtout trouver des parades si ces propriétés ne sont pas suffisantes.

De nombreuses autres questions scientifiques fondamentales sont en cours d’investigation grâce à cette technique, permettant également le couplage avec un courant électrique, un champ magnétique ou des effets thermiques.

Source : bulletins électroniques