Défauts dans les nanocristaux: Imagerie par diffraction cohérente des rayons X et simulations – DINACS

Les défauts dans les cristaux, qu'ils soient 2D (joints de grains, faute d'empilement, etc.), 1D (dislocations) ou 0D (défauts ponctuels), ont une influence déterminante sur les propriétés des matériaux. À l'échelle nanométrique, un seul défaut peut modifier complètement les propriétés d'un nanocristal. De plus, en raison de la proximité des surfaces, l'énergie et la mobilité des défauts dans les nano-objets isolés sont très différentes de celles dans le matériau massif. Les défauts cristallins ne sont pas toujours néfastes et peuvent donner lieu à des fonctionnalités spécifiques, comme l'amélioration de l'activité catalytique. Ce projet vise à étudier en détail les défauts cristallins dans les nanoparticules métalliques ainsi que leur comportement sous chargement mécanique et leur influence sur l'activité catalytique. Nous proposons d'utiliser l'imagerie par diffraction cohérente des rayons X en condition de Bragg (BCDI) qui est devenue depuis peu de temps la technique la plus efficace pour imager la structure interne des cristaux en 3D à l'échelle nanométrique avec une sensibilité aux champs de déplacement de l’ordre du picomètre. L'une des nouveautés du projet est l'utilisation massive in-situ de la BCDI qui offre désormais un outil unique et révolutionnaire pour imager les défauts et le champ de déformation en 3 dimensions.
Pour étudier la stabilité des défauts, trois expériences in-situ combinant des tests mécaniques et des mesures aux rayons X seront utilisées :
- un essai de nanoindentation réalisé in-situ avec un microscope à force atomique (AFM), qui a été développé à l'IM2NP et a déjà été utilisé avec succès en combinaison avec le BCDI et la microdiffraction de Laue sur différentes lignes de faisceaux.
- une cellule à enclume de diamant compatible avec les mesures de diffraction cohérente, qui permet d'appliquer une contrainte hydrostatique ou non hydrostatique.
- un four pour appliquer une contrainte thermoélastique grâce à la différence entre les coefficients d'expansion thermique du substrat et des nanoparticules.
En outre, des simulations à l'échelle atomique seront effectuées pour avoir accès aux configurations des défauts et au champ de déformation à l'échelle atomique. Cela aidera grandement à comprendre la stabilité et le comportement des défauts observés lors des tests mécaniques des nanoparticules. Des tailles typiques de quelques dizaines de nanomètres, comparables aux tailles expérimentales, seront considérées.
Dans un deuxième temps, des simulations de dynamique moléculaire (MD) et de dynamique des dislocations discrètes (DDD) permettront de suivre le comportement des défauts à l'intérieur des nanoparticules sous chargement mécanique. D'une part, les simulations MD permettent d'examiner le mouvement des défauts préexistants, leurs interactions, leur éventuelle annihilation à la surface et l'éventuelle nucléation de nouveaux défauts à une échelle de temps et de longueur très fine. D'autre part, dans les grandes nanoparticules, où le coût de calcul de la MD devient exigeant, des simulations à l’échelle mésoscopique la DDD sera utilisées, intégrant le mécanisme observé dans les simulations MD. La DDD, couplée à un solveur d'éléments finis (FE), est un outil efficace pour étudier le comportement plastique des nanoparticules. Les résultats des simulations MD et DDD seront finalement comparés aux observations expérimentales in-situ du BCDI.
Et au finale, l'influence des défauts étendus (dislocations, fautes d'empilement…) à l'intérieur des nano-objets métalliques isolés sera suivie in situ et operando pendant les réactions catalytiques en utilisant la BCDI.
L'originalité de ce projet est basée sur l'imagerie 3D in-situ de la stabilité des défauts dans les nano-objets métalliques combinée à des simulations multi-échelles en vue d’améliorer les propriétés catalytiques de ces particules.