Vous savez comment vous laissez de l’espace dans une bouteille d’eau avant de la mettre au congélateur – pour tenir compte du fait que l’eau se dilate lorsqu’elle gèle ? La plupart des pièces métalliques des avions sont confrontées au problème opposé le plus courant. À haute altitude (basses températures), ils rétrécissent. Pour empêcher un tel retrait de provoquer des catastrophes majeures, les ingénieurs fabriquent des avions à partir de composites ou d’alliages, mélangeant des matériaux qui ont des propriétés d’expansion opposées pour s’équilibrer.



De nouvelles recherches menées en partie au Brookhaven National Laboratory du département américain de l’Énergie pourraient introduire une toute nouvelle>

Comme décrit dans un article qui vient d’être publié dans la revue Physical Review Letters, les scientifiques ont utilisé des rayons X à la National Light Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven – une installation utilisateur du US Department of Energy Office of Science – et deux autres lampes synchrotron sources pour explorer un métal inhabituel qui se dilate considérablement à basse température. Les expériences sur le sulfure de samarium dopé avec quelques impuretés ont révélé des détails sur la structure au niveau atomique du matériau et les origines basées sur les électrons de sa « dilatation thermique négative ».



Ce travail ouvre des voies pour la conception de nouveaux matériaux où le degré d’expansion peut être réglé avec précision en peaufinant la recette chimique. Il suggère également quelques matériaux connexes qui pourraient être explorés pour des applications de mélange de métaux.

« Dans les applications pratiques, que ce soit un avion ou un appareil électronique, vous voulez fabriquer des alliages de matériaux avec ces propriétés opposées – des choses qui se dilatent d’un côté et se rétrécissent de l’autre lorsqu’elles se refroidissent, donc au total elles restent les mêmes, « , a expliqué Daniel Mazzone, auteur principal de l’article et boursier postdoctoral au NSLS-II et au département de physique de la matière condensée et de science des matériaux du Brookhaven Lab.

Mais les matériaux qui imitent l’expansion de l’eau lorsqu’elle est réfrigérée sont rares. Et bien que l’expansion de l’eau glacée soit bien comprise, l’expansion spectaculaire du sulfure de samarium n’avait jamais été expliquée.

Comme d’autres matériaux que Mazzone a étudiés, ce composé à base de samarium (en particulier le sulfure de samarium avec certains atomes d’yttrium remplaçant quelques atomes de samarium) se caractérise par des phases électroniques concurrentes (quelque peu analogues aux phases solide, liquide et gazeuse de l’eau). Selon les conditions externes telles que la température et la pression, les électrons dans le matériau peuvent faire différentes choses. Dans certains cas, le matériau est un métal doré à travers lequel les électrons peuvent se déplacer librement – un conducteur. Dans d’autres conditions, c’est un semi-conducteur de couleur noire, ne permettant à certains électrons de circuler.

L’état métallique doré est celui qui se dilate considérablement lorsqu’il est refroidi, ce qui en fait un métal extrêmement inhabituel. Mazzone et ses collègues se sont tournés vers les rayons X et les descriptions théoriques du comportement des électrons pour comprendre pourquoi.

Sur la ligne de faisceau de la fonction de distribution de paire (PDF) du NSLS-II, les scientifiques ont mené des expériences de diffraction. La ligne de lumière PDF est optimisée pour les études de matériaux fortement corrélés dans diverses conditions externes telles que les basses températures et les champs magnétiques. Pour cette expérience, l’équipe a placé des échantillons de leur métal samarium à l’intérieur d’un cryostat refroidi à l’hélium liquide dans le faisceau de rayons X du NSLS-II et a mesuré comment les rayons X rebondissaient sur les atomes constituant la structure cristalline du matériau à différentes températures.

« Nous suivons la façon dont les rayons X rebondissent sur l’échantillon pour identifier les emplacements des atomes et les distances entre eux », a déclaré Milinda Abeykoon, scientifique principale de la ligne de lumière PDF. « Nos résultats montrent qu’à mesure que la température baisse, les atomes de ce matériau s’éloignent de plus en plus, ce qui fait que le matériau entier se dilate jusqu’à trois pour cent en volume. »

L’équipe a également utilisé des rayons X au synchrotron SOLEIL en France et au synchrotron SPring-8 au Japon pour examiner en détail ce que les électrons faisaient dans le matériau à différents stades de la transition induite par la température.

« Ces expériences de » spectroscopie d’absorption des rayons X « peuvent suivre si les électrons entrent ou sortent de la » coquille « d’électrons la plus à l’extérieur autour des atomes de samarium », a expliqué l’auteur co-correspondant Ignace Jarrige, physicien au NSLS-II.

Si vous repensez à l’une des bases de la chimie, vous vous souvenez peut-être que les atomes avec des enveloppes extérieures non remplies ont tendance à être les plus réactifs. L’enveloppe extérieure du Samarium est un peu moins qu’à moitié pleine.

« Toute la physique est essentiellement contenue dans ce dernier obus, qui n’est ni plein ni vide », a expliqué Mazzone.

Les expériences de rayons X de suivi des électrons ont révélé que les électrons traversant le sulfure de samarium se déplaçaient dans cette enveloppe externe autour de chaque atome de samarium. Au fur et à mesure que le nuage d’électrons de chaque atome se développait pour accueillir les électrons supplémentaires, l’ensemble du matériau s’est développé.

Mais les scientifiques devaient encore expliquer le comportement basé sur les théories de la physique. À l’aide des calculs effectués par Maxim Dzero, physicien théoricien de la Kent State University, ils ont pu expliquer ce phénomène avec ce qu’on appelle l’effet Kondo, du nom du physicien Jun Kondo.

L’idée de base derrière l’effet Kondo est que les électrons interagiront avec les impuretés magnétiques dans un matériau, alignant leurs propres spins dans la direction opposée à la plus grande particule magnétique pour « filtrer » ou annuler son magnétisme.

Dans le matériau sulfure de samarium, a expliqué Dzero, la coque extérieure presque à moitié pleine de chaque atome de samarium agit comme une minuscule impureté magnétique pointant dans une certaine direction. « Et parce que vous avez un métal, vous trouvez également des électrons libres qui peuvent approcher et annuler ces petits moments magnétiques », a déclaré Dzero.

Tous les éléments soumis à l’effet Kondo n’ont pas d’électrons remplissant la coquille la plus externe, car cela peut également aller dans l’autre sens – provoquant la sortie d’électrons de la coquille. La direction est déterminée par un équilibre énergétique délicat dicté par les règles de la mécanique quantique.

« Pour certains éléments, en raison de la façon dont la coque extérieure se remplit, il est plus favorable énergétiquement aux électrons de sortir de la coque. Mais pour quelques-uns de ces matériaux, les électrons peuvent se déplacer, ce qui entraîne une expansion », Jarrige m’a dit. En plus du samarium, les deux autres éléments sont le thulium et l’ytterbium.

Il serait intéressant d’explorer des composés contenant ces autres éléments comme ingrédients supplémentaires possibles pour créer des matériaux qui se dilatent lors du refroidissement, a déclaré Jarrige.

Enfin, les scientifiques ont noté que l’ampleur de l’expansion thermique négative dans le sulfure de samarium peut être ajustée en variant la concentration des impuretés.

« Cette accordabilité rend ce matériau très précieux pour l’ingénierie des alliages à expansion compensée », a déclaré Mazzone.

« L’application de la modélisation hautement développée de la théorie à plusieurs corps a été une partie importante du travail pour identifier la connexion entre l’état magnétique de ce matériau et son expansion volumique », a déclaré Jason Hancock, collaborateur à l’Université du Connecticut (UConn). « Cette collaboration entre Kent State, UConn, Brookhaven Lab, des synchrotrons partenaires et des groupes de synthèse au Japon pourrait potentiellement guider de nouveaux efforts de découverte de matériaux qui utilisent les propriétés inhabituelles de ces matériaux de terres rares. »