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Contrôler la croissance et la texture d’un polycristal modèle.

3 juillet 2012

L2C - UMR 5221

Les propriétés mécaniques macroscopiques de la plupart des métaux et céramiques sont déterminées par la taille et l’organisation des grains cristallins qui les composent. Pour comprendre les mécanismes mis en jeu, des physiciens du Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier (L2C – CNRS / Univ. Montpellier 2) viennent de mettre au point expérimentalement un cristal modèle à base de polymère et de nanoparticules dont la texture peut être finement contrôlée. Parce que ces matériaux sont beaucoup plus mous que les polycristaux habituels, leur déformation sous l’effet d’une contrainte faible est lente et facilement accessible expérimentalement. En outre, la transparence des échantillons permet d’observer les structures avec des techniques de microscopie standard. Ce travail publié dans la revue Soft Matter devrait permettre d’obtenir de nouvelles informations résolues dans l’espace et dans le temps sur la déformation de polycristaux sous contrainte mécanique.

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Les chercheurs ont choisi un polymère commercial, dont l’affinité de la partie centrale pour l’eau dépend de la température. A basse température il est soluble, tandis qu’à température ambiante le bloc central devient hydrophobe, alors que les deux blocs aux extrémités sont toujours hydrophiles. Le polymère s’auto-assemble alors dans l’eau en formant des micelles sphériques. Puis, lorsque la concentration en micelles est suffisamment grande, celles-ci s’arrangent sur un réseau cristallin, à l’instar des atomes dans un métal. En jouant sur la vitesse de passage de la phase fluide à la phase solide, les chercheurs ont démontré que l’on peut contrôler la texture de l’échantillon. De plus, les chercheurs ont ajouté quelques pourcents de nanoparticules fluorescentes de taille comparable à celle des micelles. Une visualisation par microscopie confocale lors de la croissance de la phase cristalline montre que les nanoparticules sont expulsées de la phase cristalline à mesure que celle-ci croit et se concentrent de fait dans les joints de grains, ce qui permet une visualisation tridimensionnelle de la structure du matériau formé.

En adaptant aux spécificités de leurs matériaux des théories existantes pour la nucléation et la croissance d’une phase cristalline dans une phase liquide, l’équipe a expliqué et modélisé comment la vitesse d’augmentation de la température et la concentration en nanoparticules contrôlent la taille moyenne des grains du polycristal. Les observations montrent que ce matériau synthétique présente de nombreuses analogies avec certaines propriétés des métaux. Ceci permet d’envisager son utilisation comme matériau modèle pour la compréhension des propriétés mécaniques des alliages métalliques.

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Visualisation par microscopie confocale de la texture de polycristaux colloïdaux.

En savoir plus

Grain refinement and partitioning of impurities in the grain boundaries of a colloidal polycrystal, N. Ghofraniha, E. Tamborini, J. Oberdisse, L. Cipelletti et L. Ramos, Soft Matter, 8, 6214-6219 (2012).

Contact chercheur

Laurence Ramos, chercheur

Informations complémentaires

Laboratoire Charles Coulomb, UMR 5221

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Karine Penalba,
inp-communication cnrs-dir.fr