Les défauts peuvent rendre un matériau plus résistant ou provoquer une défaillance catastrophique. Comprendre la rapidité avec laquelle les défauts se propagent aide les chercheurs à comprendre des problèmes tels que la rupture sismique, la défaillance structurelle et la fabrication de précision. Après un demi-siècle de débats, les chercheurs ont découvert que de minuscules défauts linéaires peuvent se propager à travers les matériaux plus rapidement que les ondes sonores.

Illustration : Une impulsion laser intense frappe un cristal de diamant depuis le coin supérieur droit, créant des ondes élastiques et plastiques (lignes courbes) dans le matériau. L'impulsion laser crée des défauts linéaires, appelés dislocations, à l'endroit où elle frappe le cristal. Ils se déplacent à travers le matériau plus rapidement que la vitesse transversale du son, laissant derrière eux des surfaces d'accumulation - des lignes qui s'étendent à partir du point d'impact. Source : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC

Ces défauts linéaires, ou dislocations, confèrent au métal sa résistance et sa maniabilité, mais ils peuvent également provoquer une défaillance catastrophique du matériau, ce qui se produit chaque fois que vous ouvrez la languette d'une canette de soda.

La recherche a été dirigée par Leora Dresselhaus-Marais, professeur au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie et à l'Université de Stanford, et Norimasa Ozaki, professeur à l'Université d'Osaka.

Lorsque les ondes de choc traversent le matériau, elles créent des défauts appelés dislocations – de minuscules déplacements dans les cristaux du matériau qui se propagent à travers eux et laissent derrière eux ce que l'on appelle des défauts empilés. Sur l’image de gauche, la disposition régulière des atomes du matériau n’est pas perturbée. Dans l'image de droite, les dislocations se déplacent à travers le matériau de gauche à droite, créant des failles empilées (violettes) où les couches cristallines adjacentes ne s'alignent pas comme elles le devraient. Crédit image : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC

Jusqu’à présent, personne n’a pu mesurer directement la rapidité avec laquelle ces dislocations se propagent à travers le matériau. Son équipe a utilisé la radiographie aux rayons X - similaire aux rayons X médicaux utilisés pour révéler l'intérieur du corps humain - pour chronométrer la rapidité avec laquelle les luxations se propagent dans le diamant, des leçons apprises qui devraient également s'appliquer à d'autres matériaux. Ils ont décrit ce résultat dans un article publié dans Science le 5 octobre.

À la poursuite de la vitesse du son

Depuis près de 60 ans, les scientifiques se demandent si les dislocations peuvent se propager à travers les matériaux plus rapidement que le son. De nombreuses études concluent que ce n’est pas le cas. Mais certains modèles informatiques suggèrent que c’est possible – s’ils commencent à se déplacer plus vite que le son.

Il faut énormément d’impact pour les amener instantanément à cette vitesse. Premièrement, le son se propage beaucoup plus rapidement dans les matériaux solides que dans l’air ou l’eau, en fonction de facteurs tels que les propriétés du matériau et la température. La vitesse du son dans l'air est généralement de 761 milles par heure, tandis que la vitesse du son dans l'eau est de 3 355 milles par heure. Dans le diamant, le matériau le plus dur, la vitesse du son atteint la vitesse étonnante de 40 000 milles par heure.

Pour compliquer les choses, il existe deux types d’ondes sonores dans les solides. Les ondes longitudinales sont identiques aux ondes sonores dans l’air. Mais comme les solides offrent une certaine résistance à la propagation du son, ils transportent également des ondes sonores plus lentes, appelées ondes sonores transversales.

Il est important, à la fois d’un point de vue scientifique fondamental et d’un point de vue pratique, de comprendre si les dislocations ultrarapides peuvent briser les deux barrières acoustiques. Lorsque les dislocations se déplacent plus vite que la vitesse du son, elles se comportent très différemment et provoquent des défaillances inattendues qui n’ont jusqu’à présent été que modélisées. Sans mesures, personne ne sait à quel point ces luxations ultrarapides peuvent être dommageables.

"Ce ne serait pas génial si un matériau structurel échouait de manière plus catastrophique que prévu en raison de son taux d'échec élevé", a déclaré Taketo Katagiri, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche et premier auteur de l'article. "Par exemple, si une faille traverse la roche lors d'un tremblement de terre, cela pourrait causer davantage de dégâts. Nous devons en savoir plus sur ce type de défaillances catastrophiques."

Dresshaus-Marais a ajouté que les résultats de l'étude "pourraient suggérer que nous nous trompions sur ce que nous pensions savoir sur la défaillance matérielle la plus rapide possible".

Effet supérieur

Pour obtenir la première image directe de la vitesse à laquelle les dislocations se déplacent, Dresshaus-Marais et ses collègues ont mené des expériences au laser à électrons libres SACLAX au Japon. Ils ont mené des expériences sur de minuscules cristaux de diamant artificiel.

Pour obtenir la première image directe de la vitesse à laquelle les dislocations se propagent, les chercheurs ont utilisé un faisceau laser intense pour projeter une onde de choc à travers un cristal de diamant. Ils ont ensuite utilisé un faisceau laser à rayons X pour prendre une série d’images aux rayons X de la formation et de la diffusion des dislocations sur une échelle de temps de plusieurs milliardièmes de seconde. Les images, semblables à des radiographies médicales révélant l’intérieur du corps humain, sont enregistrées sur un détecteur. Crédit image : K.Katagiri/Université de Stanford

Katagiri a déclaré que le diamant fournit une plate-forme unique pour étudier la défaillance des matériaux cristallins. "Pour comprendre le mécanisme des dommages, nous devons identifier des signatures claires de luxation dans les images, plutôt que d'autres types de défauts", a-t-il déclaré.

Lorsque deux luxations se rencontrent, elles s’attirent ou se repoussent et créent davantage de dislocations. Ouvrez une canette de soda fabriquée à partir d'un alliage d'aluminium, et les nombreuses dislocations déjà présentes dans le couvercle – dislocations créées lors du moulage dans sa forme finale – interagissent et créent des milliards de nouvelles dislocations, qui se transforment en défaillance absolument critique lorsque le haut de la canette se plie et que le couvercle s'ouvre. Ces interactions et leur comportement déterminent toutes les propriétés mécaniques du matériau que l’on observe.

"Dans le diamant, il n'y a que quatre types de luxations, alors que dans le fer, par exemple, il existe 144 types de luxations différents", a expliqué Dreshaus-Maris. Les diamants pourraient être plus durs que les métaux, selon les chercheurs. Mais comme une canette de soda, si elle reçoit un impact suffisamment important, elle se pliera quand même en formant des milliards de dislocations.

Production d'images radiographiques d'ondes de choc

Au SACLA, l’équipe de recherche a utilisé de puissants lasers pour générer des ondes de choc dans les cristaux de diamant. Ils ont ensuite pris une série d’images aux rayons X ultrarapides de la formation et de la diffusion des dislocations sur une échelle de temps d’un milliardième de seconde. Seuls les lasers à électrons libres à rayons X peuvent fournir des impulsions de rayons X suffisamment courtes et brillantes pour capturer ce processus.

L’onde de choc initiale se divise en deux types d’ondes qui traversent le cristal. Le premier type d’onde, appelé onde élastique, déforme temporairement le cristal ; les atomes du cristal reprennent immédiatement leur position d'origine, comme un élastique qui est étiré puis relâché. La deuxième vague, appelée vague plastique, déforme de façon permanente le cristal en créant de minuscules erreurs dans les motifs répétitifs des atomes qui composent la structure cristalline.

Cette image radiographique aux rayons X (similaire aux rayons X médicaux mais prise à des vitesses ultra-rapides à l'aide d'un laser à rayons X) montre des ondes de choc traversant un cristal de diamant. La vague initiale est élastique. Des ondes plastiques s’ensuivent, créant des défauts dans le matériau appelés dislocations, qui se propagent à travers le matériau plus rapidement que la vitesse du son. La flèche montre le chemin et la direction d'une luxation qui laisse derrière elle un défaut linéaire appelé défaut de pile. La luxation elle-même est visible en haut de la flèche. D’autres défauts d’accumulation sont visibles depuis le lieu de la frappe laser. Source : K. Katagiri/Université de Stanford

Ces minuscules décalages, ou désalignements, créent des « défauts d’empilement », dans lesquels les couches adjacentes du cristal s’éloignent les unes des autres et ne s’alignent pas comme elles le devraient. Les failles d'empilement se propagent vers l'extérieur à partir de l'endroit où le laser frappe le diamant, avec une dislocation mobile à l'avant de chaque faille d'empilement.

À l’aide des rayons X, les chercheurs ont découvert que les dislocations se propagent dans le diamant plus rapidement que les ondes sonores plus lentes – les ondes de cisaillement – ​​un phénomène qui n’a jamais été observé dans aucun matériau auparavant.

Maintenant, a déclaré Katagiri, l'équipe prévoit de retourner aux installations d'électrons libres à rayons X, telles que SACLA ou la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, pour voir si les dislocations peuvent se propager dans le diamant plus rapidement que des vitesses sonores longitudinales plus élevées, ce qui nécessiterait des frappes laser plus puissantes. S’ils franchissaient le mur du son, dit-il, ils seraient considérés comme de véritables supersoniques.