Une méthode informatique découvre des centaines de nouvelles céramiques pour les environnements extrêmes

Si vous avez une inquiétude profonde et tenace à l'idée de laisser tomber votre téléphone dans de la lave en fusion, vous avez de la chance. Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques des matériaux de l'Université Duke a développé une méthode pour découvrir rapidement une nouvelle classe de matériaux avec des tolérances thermiques et électroniques si robustes qu'elles pourraient permettre aux appareils de fonctionner à des températures semblables à celles de la lave, supérieures à plusieurs milliers de degrés Fahrenheit.

Plus durs que l'acier et stables dans des environnements chimiquement corrosifs, ces matériaux pourraient également constituer la base de nouveaux revêtements, thermoélectriques, batteries, catalyseurs et dispositifs résistants à la corrosion, résistants à l'usure et à la corrosion.

Les recettes de ces matériaux – des céramiques fabriquées à partir de carbonitrures ou de borures de métaux de transition – ont été découvertes grâce à une nouvelle méthode informatique appelée Descripteur d'enthalpie-entropie désordonnée (DEED). Lors de sa première démonstration, le programme prévoyait la synthétisabilité de 900 nouvelles formulations de matériaux hautes performances, dont 17 ont ensuite été testées et produites avec succès en laboratoire.

Les résultats paraissent dans le journal Nature et incluent les contributions de collaborateurs de la Penn State University, de l'Université des sciences et technologies du Missouri, de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université d'État de New York à Buffalo.

“La capacité de découvrir rapidement des compositions synthétisables permettra aux chercheurs de se concentrer sur l'optimisation de leurs propriétés révolutionnaires pour l'industrie”, a déclaré Stefano Curtarolo, professeur émérite de génie mécanique et de science des matériaux à l'école Edmund T. Pratt Jr. de Duke.

Le groupe Curtarolo gère la base de données Duke Automatic-FLOW for Materials (AFLOW), un énorme réservoir de données sur les propriétés des matériaux connecté à de nombreux outils en ligne pour l'optimisation des matériaux. Cette richesse d’informations permet aux algorithmes de prédire avec précision les propriétés de mélanges inexplorés sans avoir à tenter de simuler les complexités de la dynamique atomique ou de les réaliser en laboratoire.

Au cours des dernières années, le groupe Curtarolo a travaillé au développement de pouvoirs prédictifs pour les matériaux à « haute entropie » qui tirent une stabilité améliorée d'un mélange chaotique d'atomes plutôt que de s'appuyer uniquement sur la structure atomique ordonnée des matériaux conventionnels. En 2018, ils ont découvert des carbures à haute entropie, qui constituaient un scénario plus simple et plus particulier.

“Les carbures à haute entropie avaient tous une quantité d'enthalpie relativement uniforme, nous pouvions donc ignorer une partie de l'équation”, a déclaré Curtarolo. “Mais pour prédire de nouvelles recettes céramiques avec d'autres métaux de transition, nous avons dû nous intéresser à l'enthalpie.”

Pour mieux comprendre les concepts d'entropie et d'enthalpie dans cette application, pensez à un enfant de 10 ans essayant de construire une niche à partir d'un tas géant de Legos. Même avec des types limités d’éléments de base, il y aurait de nombreux résultats de conception possibles.

En termes simples, l’enthalpie est une mesure de la robustesse de chaque conception, et l’entropie une mesure du nombre de conceptions possibles ayant toutes une résistance similaire. Le premier favorise les configurations ordonnées, comme celles que l’on peut trouver dans les livrets d’instructions. Ce dernier capture le chaos inévitable qui se produirait à mesure que l’enfant consacrerait plus de temps et d’énergie à un effort de construction de plus en plus déroutant. Les deux mesurent la quantité d’énergie et de chaleur qui finit par être absorbée par le produit final.

“Pour quantifier rapidement l'enthalpie et l'entropie, nous avons dû calculer l'énergie contenue dans les centaines de milliers de combinaisons différentes d'ingrédients que nous pourrions potentiellement créer à la place des céramiques que nous recherchons”, a déclaré Curtarolo. “C'était une entreprise gigantesque.”

En plus de prédire de nouvelles recettes pour des céramiques désordonnées stables, DEED aide également à orienter leur analyse plus approfondie pour découvrir leurs propriétés inhérentes. Pour trouver les céramiques optimales pour diverses applications, les chercheurs devront affiner ces calculs et les tester physiquement en laboratoire.

DEED est spécifiquement adapté à une méthode de production appelée frittage à chaud. Cela implique de prendre des formes en poudre des composés constitutifs et de les chauffer sous vide jusqu'à 4 000 degrés Fahrenheit tout en appliquant une pression pendant des périodes pouvant aller jusqu'à quelques heures. Entre tous les temps de préparation, de réaction et de refroidissement, l’ensemble du processus prend plus de huit heures.

“La dernière étape de la synthèse, appelée frittage par plasma étincelant, est une méthode émergente en science des matériaux qui est courante dans les laboratoires de recherche”, a déclaré William Fahrenholtz, professeur émérite des conservateurs de génie céramique au Missouri S&T.

Les céramiques finies ont un aspect métallique et sont gris foncé ou noires. Ils ressemblent à des alliages métalliques tels que l’acier inoxydable et ont une densité similaire, mais leur apparence est beaucoup plus foncée. Et même si elles semblent métalliques, elles sont dures et cassantes comme la céramique conventionnelle.

À l'avenir, le groupe s'attend à ce que d'autres chercheurs commencent à utiliser DEED pour synthétiser et tester les propriétés de nouveaux matériaux céramiques pour diverses applications. Compte tenu de l’incroyable éventail de propriétés et d’utilisations potentielles, ils estiment que ce n’est qu’une question de temps avant que certains d’entre eux n’entrent en production commerciale.

“La technologie de frittage par plasma étincelant ou de frittage assisté sur site (FAST) n'est pas encore une technique courante dans l'industrie”, a ajouté Doug Wolfe, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et vice-président associé pour la recherche à Penn State. “Cependant, les fabricants de céramiques actuels pourraient se tourner vers la fabrication de ces matériaux en apportant de petits ajustements aux processus et installations existants.”