Le design des matériaux en miniature

Ralph Spolenak dissipe d'emblée un malentendu : Plus petit n'est pas toujours mieux dans le nanomonde des matériaux. Au-delà d'une certaine taille, les effets négatifs peuvent l'emporter. Le directeur du Laboratoire de nanométallurgie de l'ETH Zurich cherche donc avec son équipe l'échelle de longueur optimale pour les matériaux, à laquelle leurs propriétés s'améliorent avant de se dégrader à nouveau. Comme cette échelle de longueur se situe souvent, mais pas toujours, à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire en dessous de 100 nanomètres, le professeur préfère le terme "petit" à celui de "nano". Son objectif : "Obtenir un avantage dans l'infiniment petit".

Pourtant, l'effet qui se produit lorsque l'on réduit la taille des matériaux va tout d'abord à l'encontre du bon sens. Imaginez que l'on amincisse une épaisse couche de cuivre à 20 nanomètres, elle devient alors dix fois plus solide. Comment est-ce possible ?

Dans l'épais bloc de cuivre, explique Ralph Spolenak, les défauts du matériau peuvent se déplacer comme les plis d'un tapis. Ils se déplacent pour ainsi dire à travers la couche de cuivre et la rendent ainsi plus souple. En revanche, dans la couche d'une épaisseur de seulement quelques nanomètres, les surfaces de délimitation sont si proches les unes des autres que les défauts ne peuvent plus "migrer" et que la résistance augmente. Selon les propriétés qu'un matériau doit avoir, les chercheurs peuvent donc exploiter sciemment les défauts ou les empêcher de se propager, c'est-à-dire rendre un matériau plus souple ou plus solide. Mais seulement jusqu'à une certaine limite : à un moment donné, par exemple, la solidité devient fragile et le matériau cède.

Le germanium devient compatible avec le laser

Un exemple de leurs recherches actuelles montre comment Spolenak et son équipe "expérimentent" avec les défauts des matériaux et les limites à l'échelle nanométrique. Avec d'autres scientifiques de l'ETH ainsi que des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et du Politecnico di Milano, ils ont réussi à rendre compatible avec le laser le germanium, un semi-conducteur en soi inadapté au laser. Cela permettrait à l'avenir à certaines parties d'un microprocesseur de communiquer avec la lumière, ce qui rendrait les ordinateurs plus rapides et plus performants.

Contrairement à l'électricité et aux c?bles de cuivre, la lumière peut transmettre des signaux beaucoup plus rapidement. Comme le silicium, le matériau de base de toutes les puces informatiques, ne se prête pas à la construction de lasers, les scientifiques misent sur le germanium ; d'autant plus que celui-ci est parfaitement compatible avec le silicium. "Lorsque l'on réduit la taille des métaux, la résistance spécifique augmente, ce qui réduit la vitesse à laquelle les informations peuvent être transmises par des signaux électriques. Cet effet constitue une limite à la miniaturisation, qui peut être résolue par la transmission optique de signaux", explique Ralph Spolenak.

Pour que le germanium puisse être utilisé, il faut une configuration spéciale d'électrons. Celle-ci est obtenue en le soumettant à une tension, c'est-à-dire en l'étirant, afin d'extraire des photons (particules de lumière) du semi-conducteur. L'étirement fait que les atomes qui composent le métal s'éloignent les uns des autres. En conséquence, les électrons, sponsors de la charge électrique, peuvent se déplacer plus librement et atteindre des niveaux d'énergie favorables à la création de photons.

Même avec un allongement de 3 pour cent, le germanium émet environ 25 fois plus de photons qu'à l'état détendu. "C'est presque suffisant pour construire un laser", explique Spolenak. Trois pour cent, cela semble peu. Mais si l'on transpose les dimensions nanométriques au monde macro, cette contrainte de traction correspond à la force exercée sur un crayon lorsque deux camions le tirent dans des directions opposées. Dans ce cas, les allongements élastiques élevés nécessaires ne sont possibles que pour des matériaux presque exempts de défauts.

Un matériau pour un sourire éclatant

Mais le chercheur en matériaux de l'EPF mène également des recherches dans des domaines très différents, comme celui des implants dentaires. Il s'agit de développer un revêtement pour la base métallique qui se trouve entre la vis en titane et la couronne. Celui-ci est très sombre, transpara?t en cas de faible densité osseuse ou de gencive fine ou forme un bord noir lorsque la gencive se rétracte.

Pour résoudre ce problème esthétique, Spolenak et son équipe ont combiné plusieurs couches de matériaux céramiques spéciaux, suffisamment épaisses pour masquer l'obscurité, mais en même temps suffisamment fines pour pouvoir exploiter l'effet d'échelle mentionné plus haut - c'est-à-dire le fait que le matériau, en devenant plus petit, devient plus solide.

Lorsqu'ils con?oivent de nouveaux matériaux, les chercheurs s'inspirent souvent de la nature. La nacre, par exemple, est un modèle. Elle est certes composée à 97 pour cent de matériaux très fragiles et rigides, mais les coquilles de moules elles-mêmes sont environ 3000 fois plus résistantes à la rupture que le carbonate de calcium, un minéral qui y est intégré.

Une combinaison spéciale de taille et de forme en est responsable. Ainsi, les feuillets minéraux n'ont pas seulement une épaisseur bien précise de quelques dizaines de nanomètres, ils sont également orientés selon une structure bien précise. Ces deux caractéristiques rendent les coquilles extrêmement solides et leur confèrent des propriétés optiques attrayantes, comme c'est le cas pour l'implant "blanc".

C'est précisément ce genre de combinaisons idéales de taille et de forme que Spolenak et son équipe recherchent également dans le monde technique. Mais par rapport à la nature, les matériaux techniques sont généralement constitués d'une multitude de composants, ce qui rend la recherche plus difficile. A cela s'ajoute le fait que dans la nature, les matériaux sont plus solides précisément là où les contraintes sont les plus fortes.

Pour pouvoir utiliser les matériaux de manière aussi efficace, les chercheurs de l'ETH bricolent donc aussi leur composition individuelle. Par exemple, lorsqu'il s'agit de développer la bonne combinaison de matériaux pour un moteur de voiture.

Utiliser des éléments de manière ciblée

"Si je veux faire un alliage pour cela, j'ai besoin d'éléments qui sont peut-être rares sur notre planète et qui sont très chers. Si je ne devais utiliser ces éléments que là où les contraintes sont les plus fortes, je pourrais économiser beaucoup d'argent et de matériaux et, en outre, des ressources et donc des co?ts.
préserver notre environnement".

Pour Ralph Spolenak, une chose est claire : les frontières entre les différents matériaux dispara?tront de plus en plus à l'avenir. Les matériaux de demain seront constitués des composants les plus divers et combineront localement différentes propriétés - par exemple mécaniques et électroniques, comme dans le cas des semi-conducteurs, ou mécaniques et optiques, comme dans le cas des implants.

"Le potentiel dans le secteur des matériaux est énorme et étroitement lié aux progrès des nanotechnologies", le professeur en est convaincu. Ainsi, "le petit" ne risque pas de l?cher Ralph Spolenak de sit?t.