La déformation plastique d'un verre observée au microscope électronique
Le laboratoire MATEIS a réalisé des essais mécaniques des essais mécaniques avec observations in situ, dans un microscope électronique à transmission, de films minces d'oxyde d'aluminium amorphe élaborés par une équipe italo-finlandaise. Ces essais ont montré que les échantillons de verre étaient capables de se déformer plastiquement à température ambiante. Ces résultats sont publiés dans la revue Science.
Les verres sont cassants : à température ambiante, il est impossible de les déformer plastiquement sans rupture du matériau. Une équipe internationale de chercheurs a pourtant montré qu'un verre à base d'alumine (Al2O3), sous certaines conditions, peut se déformer plastiquement quand il est soumis à une contrainte. Le phénomène a été observé et mesuré au laboratoire Matériaux : Ingénierie et Science (MATEIS, CNRS/Insa Lyon/ Université Claude Bernard Lyon 1), grâce à des essais mécaniques réalisés dans un microscope électronique en transmission (TEM)1 , sur des films minces d'alumine amorphe.
Ces films de verre d'alumine de 50 nanomètres d'épaisseur ont été élaborés à l'Institut italien de technologie (Milan), par une technique d'ablation laser pulsé (pulsed laser deposition). Un doctorant de l'université de Tampere (Finlande) a développé le dispositif expérimental des essais mécaniques (support de dépôt des films minces, dispositifs de traction et de compression in situ) au cours d'un séjour d'un an au laboratoire MATEIS, qui dispose d'une forte expertise dans les essais in situ à différentes échelles.
Les essais réalisés à MATEIS dans un microscope en transmission ont montré que les films minces d'alumine, soumis à un effort de traction, pouvait, à température ambiante, subir jusqu'à 100% d'élongation sans rupture. Des simulations numériques à l'échelle atomique (réalisées à l'université de Tempere) ont permis d'attribuer ce résultat surprenant à un phénomène de fluage2 , dû aux déplacements et aux changements rapides de liaisons des atomes. Toutefois la déformation plastique du verre d'alumine n'intervient qu'à condition que le matériau soit dense et parfaitement exempt de défauts.
Le développement de verres déformables plastiquement, donc moins cassants, pourrait ouvrir de nouvelles voies d'utilisation du verre. A condition de mettre au point des procédés d'élaboration utilisables à plus grande échelle. Par ailleurs, les chercheurs souhaitent maintenant explorer le même type de propriétés dans d'autres types de verres.
Cette figure présente les essais expérimentaux de compression et de traction du verre réalisés à Lyon dans un microscope électronique en transmission du CLyM. Ces essais sont réalisés à l'aide d'un porte objet de nanocompression spécifique. La pointe en diamant (en bas de l'image à gauche) est mise en mouvement pour venir en contact avec le film d'oxyde d'aluminium amorphe et imposer de la compression. Lors de cet essai, la force appliquée est mesurée grâce à un capteur relié à la pointe en diamant. Pour les essais de traction, le film est déposé sur un système push-to-pull. La pointe en diamant appuie sur le système push-to-pull ce qui entraine la traction du film.
Références :
Process by atomic force microscopy for massive physical and mechanical analysis of materials, biomaterial arrays and structures,
E. Frankberg et al.
Science 366, 6467 (2019), 864-869
DOI: 10.1126/science.aav1254
- 1Les essais ont été menés dans le microscope électronique en transmission environnemental «Titan ETEM» du Consortium Lyon Saint-Etienne de Microscopie (CLYM).
- 2Le fluage est la déformation irréversible d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d'élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.