Glühende Glaströpfchen auf der ISS

Il a la couleur de l’or blanc, mais il est aussi dur que le verre de quartz et possède en même temps une grande élasticité. La surface lisse sans joints de grain rend le matériau résistant aux sels et aux acides. Les pièces individuelles – comme les implants médicaux – peuvent être produites par impression 3D, tandis que les séries plus importantes – comme les boîtiers de montre – sont fabriquées par moulage par injection. C’est à peu près ainsi que l’on décrit la matière des rêves que les scientifiques étudient actuellement. On parle de “verre métallique”.

Antonia Neels, responsable du centre de radiographie de l’Empa, travaille avec ce matériau mystérieux à l’Empa depuis environ 15 ans. Son équipe examine la structure interne du verre métallique à l’aide de diverses méthodes de rayons X et découvre ainsi des liens avec des propriétés telles que la déformabilité ou le comportement à la rupture. Les verres métalliques sont également un casse-tête pour les professionnels de la science des matériaux : “Plus nous examinons les échantillons de près, plus les questions se posent”, déclare Antonia Neels. Cela alimente d’autant plus l’ambition des chercheurs.

Dans quelques mois, un échantillon de verre métallique sera examiné en apesanteur sur la station spatiale internationale ISS. Un groupe de recherche avec la participation de l’Empa a préparé les échantillons et les a enregistrés auprès de l’Agence spatiale européenne ESA pour le vol spatial. L’alliage spécial est fourni par la société PX Group de La Chaux-de-Fonds, qui produit des matériaux pour l’horlogerie et la technique dentaire. Les chercheurs Markus Mohr et Hans-Jörg Fecht de “l’Institut des nanosystèmes fonctionnels” de l’Université d’Ulm et Roland Logé du “Laboratoire de métallurgie thermomécanique” de l’EPFL à Neuchâtel font également partie de l’équipe.

La production de verre métallique n’est pas très facile : par rapport au verre à vitre, les alliages métalliques spécialement sélectionnés doivent être refroidis jusqu’à cent fois plus rapidement afin que les atomes métalliques ne se combinent pas pour former des réseaux cristallins. Ce n’est que lorsque la masse fondue se solidifie lors d’un choc qu’elle forme un verre. Dans l’industrie, de fines feuilles de verre métallique sont produites en pressant la masse fondue entre des rouleaux de cuivre à rotation rapide. Les chercheurs coulent parfois leurs échantillons dans des moules en cuivre massif, qui dissipe particulièrement bien la chaleur. Cependant, des pièces plus grandes et massives en verre métallique ne peuvent pas être fabriquées à l’aide de ces méthodes.

L’impression 3D peut aider

Une solution possible à ce dilemme est l’impression 3D utilisant le procédé dit à lit de poudre. Une poudre fine de l’alliage souhaité est chauffée au laser pendant quelques millisecondes. Les granulés de métal fusionnent avec leurs voisins pour former une sorte de feuille. Une fine couche de poudre est ensuite placée sur le dessus, le laser fusionne la poudre fraîchement appliquée avec la feuille en dessous, et progressivement une pièce tridimensionnelle est créée à partir de nombreux grains de poudre brièvement chauffés.

Antonia Neels, chercheuse à l’Empa, dirige le Centre d’analyse par rayons X. Elle est experte en verres métalliques et analysera les échantillons de l’ISS. (Source : Empa)

Un dosage précis de l’impulsion laser est nécessaire pour cette méthode. Si le laser brûle trop faiblement sur la poudre, les particules ne fusionnent pas et la pièce reste poreuse. Si le laser brûle trop fort, il fait également fondre à nouveau les couches inférieures. Les atomes peuvent se réorganiser suite à la fusion multiple, ils forment des cristaux – et c’est la fin du verre métallique.

Les méthodes de rayons X et leur extraordinaire variété

L’équipe d’Antonia Neels a déjà analysé certains de ces échantillons issus d’expériences d’impression 3D au Centre de rayons X de l’Empa. Cependant, les résultats soulèvent toujours de nouvelles questions. “Il y a des indications que les propriétés mécaniques des verres ne se détériorent pas, mais au contraire s’améliorent même si l’échantillon contient de petites fractions cristallines”, explique Neels. “Maintenant, nous étudions la question de savoir quelle doit être la proportion de cristaux dans le verre et quel type de cristaux doit se former pour augmenter la flexibilité ou la résistance aux chocs du verre à température ambiante, par exemple.”

Laboratoire spatial : les astronautes ont installé le lévitateur électromagnétique (EML) en 2014. Les gouttelettes de verre y flottent plus longtemps. (Source : Empa)

Afin de suivre la croissance des cristaux dans un environnement autrement amorphe, les experts de l’Empa utilisent différentes méthodes de rayons X. “Avec un rayonnement de différentes longueurs d’onde, nous pouvons apprendre quelque chose sur la structure des parties cristallines, mais aussi déterminer les phénomènes à courte portée des atomes dans l’échantillon – c’est-à-dire déterminer les propriétés des liaisons chimiques”, explique Neels. De plus, l’analyse par rayons X par imagerie, appelée micro-CT, révèle quelque chose sur les fluctuations de densité dans l’échantillon. Cela indique une ségrégation de phase et la formation de cristaux. Cependant, les différences de densité entre les zones vitreuses et cristallines ne sont que minuscules. Un traitement d’image détaillé est donc nécessaire pour pouvoir visualiser la distribution tridimensionnelle des composants cristallins.

Vol parabolique dans l’Airbus

Cependant, le mystère entourant les verres métalliques ne peut pas être complètement résolu avec des échantillons de matériaux provenant uniquement de l’imprimante laser 3D. “Nous devons savoir à quelles températures ces cristaux se forment et comment ils se développent – afin de définir des processus de fabrication stables”, explique Neels, spécialiste des rayons X. Les paramètres thermo-physiques de la masse fondue tels que la viscosité et la tension superficielle fournissent des informations importantes. Les expériences sur l’ISS offrent des conditions idéales pour ces analyses. Les expériences préliminaires se déroulent dans des vols paraboliques.

Dès 2019, les premières gouttes de verre métallique flottaient expérimentalement. Un Airbus A310 spécialement modifié de Novespace a effectué un vol en apesanteur avec un échantillon de matière. À son bord se trouvaient des scientifiques d’Ulm et une petite goutte de verre métallique de la société PX Group de La Chaux-de-Fonds. Le verre métallique étudié par le groupe de recherche est composé de palladium, de cuivre, de nickel et de phosphore. Dans l’expérience appelée TEMPUS (traitement électromagnétique sans creuset en apesanteur), la gouttelette de verre était maintenue en suspension au moyen d’un champ magnétique et chauffée jusqu’à 1500 degrés Celsius par induction. Pendant la phase de refroidissement, deux courtes impulsions de courant d’induction ont fait osciller la goutte incandescente. Une caméra a enregistré la tentative. Après l’atterrissage, l’échantillon de matériau a été analysé au centre de radiographie de l’Empa.

Pourquoi l’ISS donne plus de résultats

L’évaluation de la vidéo du vol parabolique permet de tirer des conclusions sur la viscosité et la tension superficielle de la gouttelette – des données importantes pour mieux contrôler la production de verres métalliques avec certaines propriétés. Cependant, la période d’apesanteur pendant le vol ne dure que 20 secondes – pas assez pour une analyse détaillée. Ceci n’est possible que sur l’ISS.

Un échantillon du même matériau a maintenant été enregistré pour un vol dans le module européen COLUMBUS de l’ISS. Le four à lévitation électromagnétique ISS-EML y est installé depuis 2014. 18 échantillons de matériaux volent chacun, sont automatiquement mis en rotation et peuvent être observés par des chercheurs sur Terre via un flux vidéo. Le verre métallique de Suisse part en voyage dans l’espace avec le prochain lot d’échantillons.

Simulation informatique pour les nouveaux procédés de coulée

Les chercheurs veulent générer une simulation informatique de la fonte à partir des données beaucoup plus détaillées du vol spatial. Cela signifie que toutes les réponses sont rassemblées dans un modèle unifié grâce à une combinaison d’expériences sur Terre et dans l’espace : A quelle température y a-t-il quelle viscosité et quelle tension superficielle ? Quand se forment des cristaux dont la composition, la taille et l’orientation se forment ? Comment cette structure matérielle interne affecte-t-elle les propriétés du verre métallique ? A partir de tous ces paramètres, les chercheurs veulent développer une méthode de fabrication avec le partenaire industriel PX Group afin de pouvoir produire le matériau convoité sous une forme définie. Dans les prochaines années, il y aura encore beaucoup à faire pour les chercheurs en matériaux de toutes les équipes impliquées.

Cet article est paru pour la première fois à l’Empa.

A lire aussi : Des chercheurs de Microsoft mènent des expériences sur les astronautes de la station spatiale ISS. Pour ce faire, ils ont envoyé un serveur HPE dans l’espace.

Leave a Comment