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Sep 30, 2023

Pourquoi certains alliages ne se dilatent-ils pas lorsqu’ils sont chauffés ?

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Une nouvelle étude menée par des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) a découvert la raison pour laquelle certains alliages métalliques ne se dilatent pas lorsqu'ils deviennent chauds. À des températures plus élevées, les propriétés magnétiques intrinsèques des alliages dits Invar peuvent provoquer une contraction juste suffisante pour annuler toute dilatation thermique attendue. Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Nature Physics.

La dilatation thermique se produit lorsqu'un matériau absorbe de la chaleur, ce qui fait vibrer ses atomes plus fortement et les éloigner de leurs voisins. En conséquence, le matériau devient moins dense et sa taille augmente légèrement.

Ces mouvements à l'échelle atomique peuvent paraître minimes, mais ils s'additionnent : la Tour Eiffel peut s'agrandir jusqu'à 15 centimètres pendant les journées les plus chaudes de Paris.

Bien que cela constitue une anecdote amusante sur une attraction touristique, la dilatation thermique peut être désastreuse lorsque le métal est nécessaire pour des applications de haute précision. Personne ne veut qu’un télescope ou une montre-bracelet finement calibré enfle et cesse de fonctionner.

"Il est presque rare de trouver des métaux qui ne se dilatent pas", déclare Stefan Lohaus, étudiant diplômé en science des matériaux et auteur principal du nouvel article. "Mais en 1895, un physicien a découvert par hasard que si l'on combine le fer et le nickel, chacun ayant une dilatation thermique positive, dans une certaine proportion, on obtient ce matériau au comportement très inhabituel."

Cet alliage nickel-fer est connu sous le nom d’Invar, un nom qui dérive du mot invariable, faisant référence à sa résistance au changement.

Historiquement, les chercheurs ont soupçonné que cette résistance inhabituelle à la dilatation thermique pourrait avoir quelque chose à voir avec les propriétés magnétiques du métal, car seuls les alliages ferromagnétiques (capables d'être magnétisés) agissent comme des Invars.

"Nous avons décidé d'examiner cela parce que nous disposons d'une configuration expérimentale très soignée, capable de mesurer à la fois le magnétisme et les vibrations atomiques", explique Lohaus. "C'était un système parfait pour cela."

À l’aide d’un synchrotron de la source avancée de photons du laboratoire national d’Argonne, les chercheurs ont mesuré les spectres vibrationnels et le magnétisme de petits échantillons d’Invar.

Les pièces d’Invar ont été maintenues sous pression dans une cellule à enclume en diamant – une configuration dans laquelle deux pointes de diamant meulées avec précision prennent en sandwich et pressent étroitement l’échantillon. Ici, l'alliage Invar a été comprimé à une pression de 200 000 atmosphères avant que de puissants faisceaux de rayons X ne soient projetés sur l'alliage, où ils interagissent avec les vibrations des atomes de l'échantillon. En mesurant les changements dans la quantité d’énergie transportée par les rayons X, les scientifiques peuvent déduire le degré de vibration des atomes de l’échantillon.

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Les chercheurs ont également placé des capteurs autour des cellules de l’enclume en diamant, capables de détecter les modèles d’interférence créés par l’état de spin des électrons dans l’échantillon. Ceci est crucial, car les propriétés magnétiques d'un matériau ferromagnétique sont causées par l'état de spin de ses électrons, qui peut être considéré comme une sorte de mesure quantique du moment cinétique, les spins étant normalement qualifiés de « vers le haut » ou « vers le bas ». Dans un métal ferromagnétique, ces spins s’aligneront parallèlement les uns aux autres pour former des « domaines » magnétiques avec la même direction de spin.

Avec cette configuration, les chercheurs ont examiné l'état de spin des électrons dans un échantillon d'Invar, ainsi que ses vibrations atomiques, tout en augmentant la température de l'échantillon.

À des températures froides, un plus grand nombre d’électrons de l’Invar partageaient le même état de spin, ce qui entraînait un éloignement des électrons. Cela éloigne leurs atomes parents, permettant ainsi une dilatation thermique.