La déformation plastique d'un verre observée au microscope électronique
Publié par Redbran le 08/01/2020 à 14:00
Source: CNRS INSIS
Le laboratoire MATEIS a réalisé des essais mécaniques des essais mécaniques avec observations in situ, dans un microscope électronique à transmission, de films minces d'oxyde d'aluminium amorphe élaborés par une équipe italo-finlandaise. Ces essais ont montré que les échantillons de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus...) étaient capables de se déformer plastiquement à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ambiante. Ces résultats sont publiés dans la revue Science.


Cette figure présente les essais expérimentaux de compression et de traction du verre réalisés à Lyon dans un microscope électronique en transmission du CLyM. Ces essais sont réalisés à l'aide d'un porte objet de nanocompression spécifique. La pointe en diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le...) (en bas de l'image à gauche) est mise en mouvement pour venir en contact avec le film d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) amorphe et imposer de la compression. Lors de cet essai, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) appliquée est mesurée grâce à un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de...) relié à la pointe en diamant. Pour les essais de traction, le film est déposé sur un système push-to-pull. La pointe en diamant appuie sur le système push-to-pull ce qui entraine la traction du film.
© L. Joly-Pottuz

Les verres sont cassants: à température ambiante, il est impossible de les déformer plastiquement sans rupture du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...). Une équipe internationale de chercheurs a pourtant montré qu'un verre à base d'alumine (Al2O3), sous certaines conditions, peut se déformer plastiquement quand il est soumis à une contrainte. Le phénomène a été observé et mesuré au laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.): Ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) et Science (MATEIS, CNRS/Insa Lyon/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et...) Lyon 1), grâce à des essais mécaniques réalisés dans un microscope électronique en transmission (TEM), sur des films minces d'alumine amorphe.

Ces films de verre d'alumine de 50 nanomètres d'épaisseur ont été élaborés à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) italien de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) (Milan), par une technique d'ablation laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le...) pulsé (pulsed laser deposition). Un doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts, comprenant la...) de l'université de Tampere (Finlande) a développé le dispositif expérimental des essais mécaniques (support de dépôt des films minces, dispositifs de traction et de compression in situ) au cours d'un séjour d'un an au laboratoire MATEIS, qui dispose d'une forte expertise dans les essais in situ à différentes échelles.

Les essais réalisés à MATEIS dans un microscope en transmission ont montré que les films minces d'alumine, soumis à un effort de traction, pouvait, à température ambiante, subir jusqu'à 100% d'élongation sans rupture. Des simulations numériques à l'échelle atomique (réalisées à l'université de Tempere) ont permis d'attribuer ce résultat surprenant à un phénomène de fluage, dû aux déplacements et aux changements rapides de liaisons des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...). Toutefois la déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par un réarrangement de la position des atomes.) du verre d'alumine n'intervient qu'à condition que le matériau soit dense et parfaitement exempt de défauts.

Le développement de verres déformables plastiquement, donc moins cassants, pourrait ouvrir de nouvelles voies d'utilisation du verre. A condition de mettre au point (Graphie) des procédés d'élaboration utilisables à plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle...). Par ailleurs, les chercheurs souhaitent maintenant explorer le même type de propriétés dans d'autres types de verres.

Notes:
(1) Les essais ont été menés dans le microscope électronique en transmission environnemental "Titan (Cliquez sur l'image pour une description) ETEM" du Consortium Lyon Saint-Etienne de Microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre...) (CLYM).
(2) Le fluage est la déformation irréversible d'un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d'élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.


Références:
Process by atomic force microscopy for massive (Le mot massif peut être employé comme :) physical and mechanical analysis of materials, biomaterial arrays and structures,
E. Frankberg et al.
Science 366, 6467 (2019), 864-869.
DOI: 10.1126/science.aav1254

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
- Lucile Joly-Pottuz MATEIS - lucile.joly-pottuz at insa-lyon.fr
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