Le Dr Michael Demkowitz a un jour prédit le phénomène d’auto-guérison des métaux. Ce phénomène a finalement été observé cet été, choquant les scientifiques du monde entier. Un petit morceau de platine a développé de minuscules fissures lorsqu’il a été étiré à plusieurs reprises. L'expérience, destinée à étudier la croissance des fissures de fatigue, s'est déroulée comme prévu pendant un certain temps. Mais ensuite, quelque chose d’inattendu s’est produit. Les fissures ont cessé de croître et ont commencé à se raccourcir, se « guérissant » efficacement.
Une équipe de chercheurs des Sandia National Laboratories a découvert cet incroyable phénomène en menant des expériences de fracture sur des métaux nanocristallins. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature.
Avant cette découverte, il était raisonnable de penser que les métaux auto-réparateurs ne pouvaient apparaître que dans les romans de science-fiction. Le Dr Michael Demkowicz, professeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de la Texas A&M University et co-auteur de l’étude récente, ne le pense pas.
Demkowicz et ses étudiants ont prédit les propriétés d'auto-guérison du métal il y a dix ans, alors qu'il était professeur adjoint au département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT.
"Notre point de départ n'était pas de trouver l'auto-guérison. Mon élève GuoxiangXu faisait à l'époque des simulations de fractures", a déclaré Demkowicz. "Nous avons accidentellement observé une guérison spontanée dans l'une de ses simulations et avons décidé de faire un suivi."
À l’époque comme aujourd’hui, les résultats de 2013 étaient surprenants. Demkowicz a ajouté que lui, ses étudiants et ses collègues étaient quelque peu sceptiques quant à la théorie originale. Cependant, son modèle de simulation a été reproduit et étendu à plusieurs reprises par d'autres chercheurs au cours des années suivantes.
"Il était clair qu'il n'y avait rien de mal avec la simulation parce que d'autres avaient constaté le même effet dans leur travail de modélisation", a déclaré Demkowicz.
Le modèle de 2013 et les expériences récentes utilisaient des métaux nanocristallins, qui ont une structure cristalline ou une taille de grain mesurée à l'échelle nanométrique (millionièmes de millimètre). Demkowicz a déclaré que même si le métal n'est pas largement utilisé dans les applications techniques, la plupart des métaux peuvent être fabriqués sous cette forme.
Il a en outre expliqué que les métaux nanocristallins facilitent l'étude de l'auto-guérison, car leurs petites tailles de grains peuvent créer davantage de caractéristiques microstructurales avec lesquelles même de minuscules fissures peuvent interagir.
Les deux études ont montré que les joints de grains sont une caractéristique qui affecte la cicatrisation des fissures, en fonction de la direction de migration des joints de grains par rapport à la fissure. Demkowicz a ajouté que ces caractéristiques sont communes à de nombreux métaux et alliages et peuvent être contrôlées.
"Le principal impact du travail actuel est de retirer la prédiction théorique originale de la planche à dessin et de montrer qu'elle se produit dans la réalité", a déclaré Demkowicz. "Nous n'avons pas vraiment commencé à optimiser la microstructure d'auto-guérison. Déterminer les meilleurs changements pour favoriser l'auto-guérison est une tâche difficile pour les travaux futurs."
Les applications potentielles de ces travaux pourraient varier considérablement. Demkowicz estime que l'auto-guérison est également possible dans les métaux traditionnels présentant des grains plus gros, mais des recherches futures sont nécessaires.
La théorie de 2013 et l’expérience récente ont une condition commune : les deux ont été réalisées dans un environnement sous vide, sans aucun corps étranger. Ces matériaux étrangers peuvent interférer avec les capacités de liaison ou de soudage à froid de la surface fissurée. Même avec cette limitation, il existe des applications potentielles dans la technologie aérospatiale ou dans les fissures internes qui ne sont pas exposées à l’air extérieur.
Après une décennie de travail, la théorie de Demkowicz s'est concrétisée dans des expériences menées aux laboratoires nationaux Sandia. Dans la présente étude, Demkowicz a pu vérifier si les phénomènes récemment observés étaient cohérents avec son modèle de simulation original.
"C'est une grande expérience. Mais je pense que c'est aussi une grande victoire théorique", a déclaré Demkowicz. "La complexité des matériaux rend souvent difficile la prévision de nouveaux phénomènes avec certitude. Cette découverte me donne l'espoir que nos modèles théoriques du comportement des matériaux sont sur la bonne voie."