Les carbures chaotiques résistants à la chaleur pourraient révolutionner la technologie aérospatiale

Un groupe de scientifiques dirigé par l’Université Duke a conçu une nouvelle classe de matériaux capables de produire des propriétés plasmoniques accordables tout en résistant à des températures incroyablement élevées.

La plasmonique est une technologie qui piège essentiellement l’énergie de la lumière dans des groupes d’électrons oscillant ensemble sur une surface métallique. Cela crée un champ électromagnétique puissant qui interagit avec la lumière entrante, permettant aux appareils d’absorber, d’émettre ou de contrôler des fréquences spécifiques sur une grande partie du spectre électromagnétique.

Les nouveaux matériaux sont suffisamment durs pour remuer l’acier en fusion et peuvent résister à des températures supérieures à 7 000 degrés Fahrenheit, à peu près les mêmes températures que celles trouvées à quelques centaines de kilomètres au-dessus de la surface du soleil. Couplés à leurs capacités plasmoniques nouvellement découvertes, les carbures pourraient améliorer les communications et la régulation thermique dans les technologies telles que les satellites et les avions hypersoniques.

La recherche apparaît en ligne le 11 octobre dans Communication Nature.

“Les métaux standard utilisés dans la recherche plasmonique, tels que l’or, l’argent et le cuivre, fondent à des températures relativement basses et doivent être protégés des éléments”, a déclaré Arrigo Calzolari, chercheur à l’Istituto Nanoscienze du Consiglio Nazionale delle Ricerche à Modène, en Italie ” Cela signifie qu’ils ne peuvent pas être utilisés dans des fusées, des satellites ou d’autres applications aérospatiales. Mais ces nouveaux matériaux que nous développons ouvrent une toute nouvelle arène de travail car ils peuvent créer des effets plasmoniques à des températures incroyablement élevées.”

Les capacités proviennent d’une classe de céramiques désordonnées découvertes en 2018 par Stefano Curtarolo, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à Duke, appelées carbures “à haute entropie”. Abandonner la dépendance aux structures cristallines et aux liens qui maintiennent matériaux traditionnels ensemble, ces carbures à haute entropie reposent sur une combinaison de nombreux éléments désordonnés de différentes tailles pour améliorer la stabilité. Bien qu’une pile de balles de baseball ne se suffise pas à elle-même, une pile de balles de baseball, de chaussures, de battes, de chapeaux et de gants pourrait bien soutenir un joueur de baseball au repos.

Le groupe original de matériaux à haute entropie était constitué de carbone et de cinq éléments métalliques différents, ce qui en fait techniquement une classe de carbures. Depuis lors, Curtarolo a obtenu une subvention de 7,5 millions de dollars dans le cadre du concours de l’Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du département américain de la Défense pour développer une suite d’outils de matériaux d’IA capables de concevoir des matériaux similaires avec des propriétés sur mesure à la demande.

Calzolari connaissait ces matériaux et le projet que Curtarolo dirigeait. Il savait également que le carbure de tantale (un système parent mais plus simple) est extrêmement durable et présente des capacités plasmoniques dans le spectre visible. Mais le matériau ne peut pas être réglé sur différentes fréquences de lumière en dehors de sa plage naturelle, ce qui limite son utilité dans les applications du monde réel. En mettant deux et deux ensemble, Calzolari et Curtarolo ont uni leurs forces sur l’intuition que certaines recettes de carbures à haute entropie – en particulier celles contenant du tantale – pourraient démontrer des propriétés plasmoniques accordables sur un large spectre.

Moins de six mois plus tard, ils avaient raison.

“Arrigo est venu me voir pour s’assurer que ces mélanges de carbure fonctionneraient et qu’ils auraient des propriétés plasmoniques”, a déclaré Curtarolo. “Après avoir passé les idées de recettes à travers les modèles de désordre et les calculs que nous avons développés, nous avons découvert qu’ils avaient des propriétés plasmoniques et que nous pouvions les ajuster en peaufinant les recettes.”

Dans l’article, les modèles des chercheurs montrent que 14 recettes différentes à haute entropie présentent des propriétés plasmoniques dans le spectre proche infrarouge et visible de la lumière, ce qui en fait de bons candidats pour les applications optiques et de télécommunication. Ils ont également travaillé avec Douglas Wolfe, professeur de la science des matériaux et l’ingénierie et le chef du département de traitement des métaux, des céramiques et des revêtements du laboratoire de recherche appliquée de Penn State, pour prouver expérimentalement leur théorie.

En tant que membre du projet MURI dirigé par Curtarolo, Wolfe était déjà familiarisé avec les carbures à haute entropie. Il se trouve qu’il avait un échantillon de l’une des recettes en question, ce qui a aidé le groupe à démontrer rapidement la plasmonique propriétés de HfTa₄C₅ et ont montré qu’ils correspondaient bien à leurs modèles informatiques.

L’article présente différentes compositions qui fonctionnent mieux ou moins bien les unes que les autres dans différentes gammes de fréquences. Les chercheurs prévoient de continuer à créer de nouvelles recettes et à les tester pour une utilisation potentielle dans un large éventail d’applications, telles que les antennes, la manipulation de la lumière et de la chaleur, et bien d’autres sur tout appareil soumis à des températures ultra-élevées.

“Ces matériaux rassemblent la plasmonique, la dureté, la stabilité et les températures élevées en un seul matériau”, a déclaré Curtarolo. “Et ils peuvent être adaptés à des applications spécifiques, ce qui n’est pas possible avec des matériaux standard car vous ne pouvez pas modifier les propriétés définies par la nature.”