Des chercheurs de l'EPFL ont résolu l'énigme scientifique de la ductilité particulière du magnésium. La faible capacité de déformation de ce métal constituait un mystère vieux de 40 ans.
Le magnésium est le métal le plus léger présent sur terre: il pèse quatre fois moins que l'acier et un tiers de moins que l'aluminium. Il est également très largement disponible, étant le huitième élément le plus répandu dans la croûte terrestre, indique l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) jeudi dans un communiqué.
Ces deux caractéristiques devraient en faire un matériau idéal pour divers usages, notamment dans l'industrie automobile où l'efficience énergétique est grandement améliorée par une réduction de poids. Pourtant, l'utilisation de ce métal reste marginale.
'Le magnésium a une faible ductilité, ce qui signifie qu'il se brise facilement en cas de déformation. Il se comporte également de façon inhabituelle: par exemple, sa résistance mécanique augmente avec la chaleur, à l'inverse de la majorité des métaux', explique William Curtin, directeur du Laboratory for Multiscale Mechanics Modeling (LAMMM) de l'EPFL, cité dans le communiqué.
Avec Zhaoxuan Wu, un collaborateur de longue date du LAMMM rattaché à l'Institute for High Performance Computing de Singapour, il a réussi à démontrer l'origine atomique de la faible ductilité du magnésium. Cette percée est publiée dans la revue 'Nature'.
40 ans d'expérimentations
Après deux ans de collaboration, les chercheurs ont réussi à établir un modèle cohérent qui unifie et explique des décennies d'expérimentations. La résolution de l'énigme a été rendue possible par le développement d'une nouvelle description des interactions atomiques au sein du métal.
Les scientifiques se sont basés sur une description peu usitée du magnésium. En modifiant un peu ce modèle, ils en ont déduit un potentiel interatomique qui prédisait précisément plusieurs de ses propriétés.
Plus important encore, ce nouveau modèle prévoyait avec exactitude la présence de la dislocation de type 'c a', qui est essentielle pour expliquer la ductilité particulière du métal. Bien que déjà observée en laboratoire, cette dislocation n'avait pas pu être formellement théorisée auparavant.
Changement de structure
'Nous menions des simulations au niveau atomique de la dislocation 'c a' pour mieux comprendre son mécanisme, lorsqu'elle a subitement adopté un comportement étrange', explique le Pr Curtin. La structure atomique de la dislocation 'c a' a changé, se transformant en plusieurs arrangements distincts empêchant la déformation du métal.
Ces arrangements avaient déjà été observés, mais leur origine restait un mystère. Certains les attribuaient à une anomalie expérimentale. Ces travaux prouvent désormais que ces structures sont intrinsèques au magnésium et montrent sous quelles conditions elles apparaissent.
Surtout, elles sont plus stables que la structure naturelle 'c a'. Conclusion: c'est la formation inévitable de ces structures qui est à l'origine de la faible ductilité du magnésium.
Vers la création d'un magnésium ductile?
S'il n'y a pas de solution-miracle permettant de prévenir le phénomène, il est en revanche possible de ralentir le processus de transformation de la dislocation.
A température ambiante, celle-ci se produit quasiment instantanément. En revanche, si le magnésium est immergé dans du nitrogène liquide (-195,79 degrés), la transformation peut durer des mois voir une année. Une perspective intéressante: il suffirait de suspendre la transformation pendant quelques secondes pour que le magnésium puisse être utilisé à des fins industrielles.
Plusieurs études expérimentales menées en Allemagne ont démontré qu'il est possible d'augmenter la ductilité du magnésium en créant des alliages avec des terres rares, tels que l'yttrium, l'erbium ou l'holonium. La piste est prometteuse, mais ces éléments rares sont onéreux et donc peu susceptibles d'être largement utilisés par l'industrie automobile.
William Curtin et Zhaoxuan Wu débutent désormais une nouvelle recherche pour déterminer comment ces alliages coûteux, et d'autres plus abordables, peuvent stabiliser la structure 'c a'. 'Nous devons trouver un compromis entre le coût de l'alliage et la performance du matériau', conclut le Pr Curtin.
/ATS
