Nanoingénierie des verres métalliques à travers les hétérogénéités chimiques et structurales – Super-Glasses

Le contexte de recherche plus large
La conception de matériaux de hautes performances mécaniques, nécessite de combiner des propriétés souvent mutuellement exclusives, telles qu'une limite d'élasticité et une ductilité élevées. Les verres métalliques (Metallic Glasses, MGs) de structure amorphe ont une résistance mécanique élevée, mais généralement une ductilité médiocre avec une rupture catastrophique due à la formation de fines bandes de cisaillement (Shear Bands, SB) (~ 10 nm), entravant leur application en tant que matériaux de structures. L'introduction d'hétérogénéités locales au niveau atomique, par l'ajout d'éléments non métalliques et par le contrôle de l'état structural, représente un moyen efficace d'améliorer leurs propriétés mécaniques favorisant une déformation plus homogène. Néanmoins, l’interaction complexe entre les hétérogénéités chimiques locales (telles que l’ajout d’éléments covalents) ou le volume libre limite la compréhension de phénomènes physiques. Par conséquent, à ce jour, le contrôle des propriétés mécaniques à l’aide de la nano-ingénierie des bandes de cisaillement, est souvent limité à une approche par essais-erreurs.

Objectifs
Dans ce contexte, ce projet vise à fournir les consignes pour produire des MGs résistants et ductiles grâce à une nouvelle approche systématique de nano-ingénierie, où la chimie : l'addition d’oxygène et la structure sont contrôlées indépendamment. Des techniques de caractérisation à plusieurs échelles allant de l'atome jusqu'au mm, associées à des modélisations qui reproduisent ces changements d’échelles sont envisagées.

Méthodes
Le projet s'appuiera sur la synthèse de verres métalliques en couches minces, offrant la possibilité de tester une large gamme de compositions et de mettre en œuvre une conception sur mesure à l'échelle nanométrique, impliquant un contrôle précis des hétérogénéités locales avec l'ajout d'une concentration définie d'oxygène et le réglage de la quantité de volume libre par relaxation. Une synthèse systématique des films de verres métalliues, combinée à une modélisation et des expériences multi-échelles, permettra d’établir des stratégies de conception. Celles-ci seront adaptées pour produire des verres métalliques massifs avec un comportement mécanique amélioré.

Innovation
Le projet combinera pour la première fois des approches expérimentales et numériques multi-échelles, allant de l'atome au millimétre. Les verres métalliques en couches minces permettent d’ajuster la structure, la composition chimique et l’addition d’oxygène de manière plus systématique, tandis qu’une réduction contrôlée du volume libre en fera un système modèle idéal pour le développement du matériau massif aux propriétés améliorées.

Chercheurs principaux impliqués
L'équipe franco-autrichienne fusionne deux institutions reconnues possédant une expertise dans différents domaines de la science des matériaux et des connaissances approfondies des verres métalliques massifs et des couches minces : le Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM) - CNRS et l'Institut de Science des Matériaux Erich Schmid (ESI) – ÖAW. Leurs expertises complémentaires incluent les simulations de dynamique moléculaire ab initio et l’aprentissage des champs de force avec le programme VASP, la dynamique moléculaire avec LAMMPS (coordonné par le Dr. Salman, LSPM), la synthèse de films minces, la micromécanique in situ au microscope électronique, l'opto-acoustique (coordonnée par le Dr. Ghidelli, LSPM) ; la diffraction élecronique 4D STEM, la caractérisation mécanique in situ un micrscope à transmission, des procédés avancés de synthèse de matériaux massifs et de couches minces (coordonnées par le Dr. Gammer, ESI).