L'Empa traque le mystère du verre métallique jusque dans la station spatiale internationale
Matériau mystérieux, le verre métallique sera peut-être la prochaine grande révolution technologique. A condition de pouvoir être produit industriellement. L'Empa est à la pointe pour percer le mystère de leur fabrication. Et enverra des échantillons en microgravité à bord de l'ISS... cette année encore.
Crédit image: Airbus Defence and Space
En apesanteur pendant quelques secondes: des scientifiques de l‘Université d‘Ulm lors d‘un test de fusion dans le Zero-GAirbus exploité par Novespace.
Le verre métallique est un matériau hors du commun. Il a
la couleur de l'or blanc tout en étant dur comme du verre de quartz et présente
en même temps une grande élasticité. Sa surface lisse est exempte de structures
cristallines et rend ce matériau résistant aux sels et aux acides. Des pièces
uniques peuvent être fabriquées par impression 3D, tandis que les grandes
séries, par exemple les boîtiers de montre, sont produites par moulage par
injection.
Antonia Neels, la directrice du Centre d'analyse par
rayons X de l'Empa, s'intéresse depuis une quinzaine d'années à ce matériau.
Son équipe étudie la structure interne du verre métallique à l'aide de
différentes méthodes de rayons X et découvre ainsi des liens avec des
propriétés telles que la déformabilité ou le comportement à la rupture.
Un casse-tête pour les chercheurs
La fabrication de verre métallique n'est pourtant pas simple: les alliages
métalliques doivent être refroidis jusqu'à cent fois plus vite pour que les
atomes de métal ne s'assemblent en réseaux cristallins. Ce n'est que
lorsque la masse fondue se solidifie extrêmement rapidement qu'elle forme un
verre. Dans l'industrie, de fines feuilles de verre métallique sont produites
en pressant la masse fondue entre des rouleaux de cuivre tournant à grande
vitesse.
Crédit image: Empa
Antonia Neels, chercheuse à l‘Empa, est une experte des verres métalliques et analysera des échantillons provenant de l‘ISS.
Une fine
poudre de l'alliage souhaité est chauffée pendant quelques millisecondes par un
laser. Les grains de métal fusionnent alors avec leurs voisins pour former une sorte
de feuille. Une fine couche de poudre est encore posée par-dessus, le laser
fusionne la poudre fraîchement déposée avec la feuille sous-jacente, et c'est
ainsi que naît peu à peu une pièce tridimensionnelle à partir de nombreux
grains de poudre brièvement chauffés.
Minutie de rigueur
Cette méthode nécessite un dosage fin de l'impulsion laser. Si le laser brûle
trop faiblement la poudre, les particules ne fusionnent pas entre elles et la
pièce reste poreuse. Si le laser brûle trop fort, il fait fondre à nouveau les
couches inférieures. Cette fusion répétée permet aux atomes de se réorganiser
et de former des cristaux, et c'en est fini du verre métallique.
Au royaume des atomes
Au Centre d'analyse par rayons X de l'Empa, l'équipe d'Antonia Neels a déjà
analysé de nombreux échantillons. «Avec des rayonnements de différentes longueurs
d'onde, nous pouvons en apprendre un peu plus sur la structure des parties
cristallines, mais aussi déterminer les phénomènes de proche ordre des atomes
dans l'échantillon - autrement dit, déterminer les propriétés des liaisons
chimiques», explique Antonia Neels. De plus, l'analyse d'imagerie par rayons X, appelée
micro-CT, révèle des informations sur les variations de densité dans
l'échantillon. Cela indique une séparation des phases et la formation de
cristaux. Les différences de densité entre les zones vitreuses et cristallines
sont toutefois infimes. Il faut donc un traitement d'image détaillé pour
pouvoir visualiser la répartition tridimensionnelle des parties cristallines.
Crédit image: ESA
Laboratoire spatial: les astronautes ont installé le lévitateur électromagnétique (EML) en 2014 à l‘ISS. L'idéal pour analyser les gouttelettes de verre en apesanteur aussi longtemps que nécessaire.
Les
échantillons de matériaux issus de l'imprimante laser 3D ne suffisent pas à
résoudre entièrement l'énigme des verres métalliques. Il est important de
savoir à quelles températures ces cristaux se forment et comment ils se
développent afin de définir des processus de fabrication stables. Les
paramètres thermo-physiques de la fonte, comme la viscosité et la tension
superficielle, fournissent des informations importantes. Les expériences menées
sur l'ISS offrent des conditions idéales pour ces analyses. Des expériences
préliminaires ont eu lieu lors de vols paraboliques.
Importance
des essais sur l' ISS
Dès 2019, les premières gouttelettes de verre métallique ont flotté à titre
expérimental. Un Airbus A310 de la société Novespace, spécialement aménagé, a
effectué un vol en microgravité avec un échantillon de matériau. Dans
l'expérience appelée TEMPUS la gouttelette de verre a été maintenue en
suspension à l'aide d'un champ magnétique et chauffée par induction jusqu'à
1'500 degrés Celsius. Pendant la phase de refroidissement, deux courtes
impulsions de courant d'induction ont fait vibrer la gouttelette incandescente.
Une caméra a enregistré l'expérience. Après l'atterrissage, l'échantillon de
matériau a été analysé au Centre d'analyse par rayons X de l'Empa. L'analyse de
l'expérience en vol parabolique a permis de tirer des conclusions sur la viscosité et
la tension superficielle de la gouttelette et des données importantes pour
mieux contrôler la fabrication. Mais la période de microgravité pendant le vol ne dure que 20
secondes, trop peu pour une analyse détaillée. Cela n'est possible que sur
l'ISS.
