Chapitre introductif : Matériaux nanocristallins

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Introduction

Les matériaux nanocristallins ont été un sujet de recherche brûlant au cours des 30 dernières années. Ces matériaux abondent dans l’industrie, comblant le fossé entre les objets moléculaires et macroscopiques. Les matériaux nanocristallins sont des polycristaux monophasés ou multiphasiques à grain ultrafin avec des tailles de grain comprises entre 1 et 100 nm, comme représenté sur la figure 1, l’image en microscopie électronique à transmission (TEM) d’un revêtement nanocristallin à base de Fe. En effet, les très petites tailles et une fraction volumique importante des atomes sont situées aux limites des grains; d’autre part, ces matériaux sont constitués d’environ 50 vol.% de composant cristallin et 50 vol.% composante interfaciale.

Figure 1.

Image TEM d’un revêtement nanocristallin à base de Fe (image non publiée).

Il est reconnaissable que les nanocristaux sont généralement spécifiés comme n’importe quoi, tels que des matériaux polycristallins à petits grains, des surfaces nanosynthétisées, des nanoparticules et des micelles polymères; chacun d’eux a des usages variés, de l’administration de médicaments aux super condensateurs, catalyseurs et capteurs. Ces matériaux présentent un intérêt pour les raisons suivantes:

  1. Les propriétés des matériaux nanocristallins diffèrent des propriétés des monocristaux et des polycristaux à gros grains et sont amorphes avec la même composition chimique. Cet écart est fortement lié à la taille réduite des cristallites ainsi qu’à la grande quantité de limites de grains entre les cristallites adjacentes.

  2. La notion de matériaux nanocristallins semble autoriser l’alliage de composants non miscibles à l’état solide ou fondu. Ces alliages fabriqués pourraient être de bons candidats pour des propriétés avancées et technologiquement merveilleuses.

On voit clairement qu’à l’échelle nanométrique, les matériaux nanocristallins contiennent une fraction volumique de limite de grain élevée; par conséquent, les limites de grain et leurs interactions avec le cristal jouent un rôle remarquable dans les différentes propriétés. Il est important de souligner que ces matériaux nanocristallins, en tant que nouvelle génération de matériaux avancés, ont des propriétés supérieures aux matériaux polycristallins à gros grains conventionnels. Ils présentent des propriétés mécaniques et physiques exceptionnelles telles qu’une résistance et une dureté élevées, un faible module élastique, une ductilité / ténacité améliorées, une excellente résistance à la fatigue et à l’usure, une diffusivité accrue, une résistivité électrique plus élevée, une densité réduite, un coefficient de dilatation thermique plus élevé, une chaleur spécifique améliorée, une conductivité thermique inférieure et de meilleures propriétés magnétiques douces.

Les matériaux nanocristallins peuvent être fabriqués par condensation de gaz, dépôt par plasma, technique de conversion par pulvérisation, alliage mécanique et autres méthodes. De toute évidence, il existe deux approches pour fabriquer les matériaux nanocristallins: « de haut en bas » et « de bas en haut. »Les deux approches jouent un rôle important dans l’industrie et présentent certains avantages et inconvénients. L’approche ascendante n’est pas nouvelle dans la synthèse des matériaux et souvent soulignée dans la littérature sur les nanotechnologies. En effet, la synthèse typique des matériaux consiste à construire atome par atome à grande échelle et est utilisée depuis plus d’un siècle dans des applications industrielles. L’approche ascendante mentionne l’accumulation d’un matériau par le bas en tant que molécule par molécule, atome par atome ou cluster par cluster. Dans le processus de croissance cristalline, les espèces de croissance telles que les atomes, les molécules et les ions s’assemblent en structure cristalline l’une après l’autre après avoir pénétré sur la surface de croissance. L’approche ascendante promet également une chance préférable d’obtenir des matériaux nanocristallins avec moins de défauts, une composition chimique plus homogène et une commande à courte et longue portée plus élevée. On reconnaît que l’approche ascendante est principalement entraînée par la réduction de l’énergie libre de Gibbs (ΔG), de sorte que les matériaux nanocristallins sont dans un état plus proche d’un état d’équilibre thermodynamique. Contrairement à cela, l’approche descendante encapsule très probablement les contraintes internes, en plus des contaminations et des défauts de surface. L’attrition ou le broyage à billes est une méthode descendante générique pour la fabrication de nanostructures, tandis que la dispersion colloïdale ou la réduction à base de gaz est un exemple habituel d’approche ascendante. Le premier produit des structures polycristallines avec une cristallographie irréproductible et une orientation des grains mal contrôlée. Ce dernier a généré une collection reproductible de structures et d’architectures, y compris des alliages, des métaux purs, des nanostructures anisotropes et des noyaux-coquilles. En lithographie, le procédé peut être considéré comme une approche hybride, puisque la croissance du film mince est ascendante et la gravure descendante, tandis que la nanolithographie est généralement une approche ascendante.

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