Merveilles résistantes à la chaleur : Exploration de la Terre et de l'Espace pour des matériaux ultimes.

Des scientifiques de l'université de Virginie et de l'université d'État de l'Arizona, qui ont reçu un financement du ministère américain de la défense, examinent les roches et les minéraux pour déterminer s'ils peuvent servir à créer des matériaux très résistants à la chaleur et robustes.Crédit : SciTechDaily.com

Le ministère américain de la défense finance un projet de recherche collaboratif qui vise à utiliser des minéraux et des roches naturels pour inventer des matériaux innovants résistants à la chaleur, en donnant la priorité à l'efficacité dans l'utilisation des éléments terrestres rares et à la durabilité.

Les matériaux les plus robustes et les plus résistants à la chaleur jamais créés pourraient avoir été négligés.

Le ministère américain de la défense cherche à comprendre si les secrets des matériaux à haute température de la prochaine génération se trouvent dans les minéraux et les roches de la Terre et d'ailleurs. À cette fin, le ministère de la défense a accordé 6,25 millions de dollars à une équipe dirigée par Elizabeth J. Opila de l'université de Virginie et à d'autres membres de l'université d'État de l'Arizona dans le cadre de l'initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (Multidisciplinary University Research Initiative ou MURI).

La MURI, qui est très compétitive, finance la recherche scientifique fondamentale qui, selon le ministère de la défense, pourrait déboucher sur des découvertes révolutionnaires dans les domaines qui l'intéressent, grâce à des connaissances issues de plusieurs domaines.

Opila mentionne que les matériaux à haute température sont actuellement très demandés en raison des progrès de la production d'énergie, de l'hypersonique et d'innovations telles que la fabrication additive dans l'industrie. L'intérêt réside dans l'exploration de nouvelles combinaisons d'éléments différents et de matériaux inspirés de la géologie et des planètes.

Selon Mme Opila, malgré la complexité des minéraux et des roches par rapport aux composés habituellement utilisés par les spécialistes des matériaux, cette complexité est source de potentiel pour ce projet.

Sandamal Witharamage, chercheur postdoctoral, fait partie de l'équipe du professeur Elizabeth J. Opila. Cette équipe développe des matériaux innovants à haute température inspirés de l'influence planétaire et géologique dans le cadre de l'initiative de recherche universitaire multidisciplinaire du ministère de la défense. Crédit : École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'université de Virginie

Selon M. Opila, les géologues s'intéressent à la formation de la Terre et à l'emplacement des différentes substances. L'objectif est d'utiliser ces connaissances dans des applications pratiques.

Les chercheurs cherchent à imiter l'utilisation que fait la nature de la composition des minéraux, de la température, de la pression et de leurs changements rapides pour créer des matériaux synthétiques. Ce projet vise à élargir considérablement les ressources et les méthodes de création de matériaux à haute température et à surpasser tout ce qui a été développé par l'homme ou la nature.

Le bureau de recherche de l'armée reconnaît la nécessité d'améliorer les matériaux réfractaires, qui peuvent résister à une chaleur intense ou à des conditions corrosives, et a lancé un appel à propositions sur les comportements réfractaires émergents dans les matériaux terrestres et extraterrestres. L'équipe d'Opila a l'intention de concevoir, de fabriquer, de tester et de décrire divers nouveaux matériaux conçus pour surpasser les céramiques, les alliages et les revêtements actuels utilisés dans des conditions de haute température, comme dans un moteur à réaction à 3 000 degrés Fahrenheit.

Mme Opila, ancienne scientifique de la NASA, est spécialisée dans les matériaux résistants à la corrosion et à la chaleur. Des experts en géologie, en science des matériaux et en modélisation informatique de l'école d'ingénierie et de sciences appliquées de l'UVA et des écoles d'ingénierie de la matière, du transport et de l'énergie, des sciences moléculaires et de l'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU collaborent avec elle.

L'équipe d'Opila à l'UVA comprend Patrick E. Hopkins, professeur d'ingénierie Whitney Stone en ingénierie mécanique et aérospatiale, et Bi-Cheng Zhou, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux.

Le laboratoire ExSiTE de M. Hopkins est spécialisé dans l'utilisation de techniques laser pour mesurer les propriétés thermiques des matériaux, ce qui sera crucial pour caractériser les matériaux mis au point par l'équipe.

Zhou, un modélisateur informatique connu pour avoir inventé des variantes de la méthode CALPHAD afin d'en étendre les capacités, ainsi qu'un autre spécialiste de la modélisation informatique, Qijun Hong, de l'ASU, mettront à profit leur expertise pour accélérer la découverte de "recettes" prometteuses que les laboratoires expérimentaux des deux universités pourront tester.

Les laboratoires de l'ASU sont dirigés par Alexandra Navrotsky, experte interdisciplinaire largement reconnue en thermodynamique et directrice du Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, et Hongwu Xu, minéralogiste et chimiste des matériaux, professeur aux écoles de sciences moléculaires et d'exploration de la terre et de l'espace de l'ASU.

Les équipes élaboreront et analyseront des recettes prospectives, en échangeant souvent des échantillons pour les tester, a expliqué Mme Opila, son laboratoire apportant une chaleur extrême, tandis que les laboratoires de l'ASU appliquent une pression intense ainsi que des tests à haute température.

Selon Pádraigín Stack, doctorant à l'UVA, la synthèse des échantillons de test commence traditionnellement par un élément sous forme de poudre, qui est modifié chimiquement pour isoler un matériau cible ou un composant d'un matériau cible.

La nouvelle composition, qui a été diluée, chauffée et séchée pour redevenir une poudre, est ensuite frittée,

Outre ces méthodes de synthèse traditionnelles, l'équipe tentera des approches inspirées de phénomènes planétaires ou géologiques, tels que la synthèse hydrothermale, qui se produit dans de l'eau chauffée à des pressions élevées. Comme l'eau est abondante dans l'intérieur chaud et pressurisé de la Terre, les processus hydrothermaux sont associés, par exemple, à la formation de minéraux contenant des éléments de terres rares - des composants essentiels pour de nombreuses applications dans le domaine des énergies renouvelables.

En laboratoire, la synthèse hydrothermale consiste à former des cristaux dans une solution chaude à base d'eau dans un récipient fermé, de sorte que les molécules gazeuses se déplaçant au-dessus du liquide exercent une pression de vapeur élevée dans le système.

Le projet MURI se concentre notamment sur l'utilisation des terres rares. De nombreux éléments des terres rares sont déjà utilisés dans les matériaux conventionnels à haute température, tels que les revêtements de protection environnementale dans l'aviation et les vols hypersoniques, ainsi que dans les batteries, les dispositifs LED et d'autres produits de plus en plus demandés, mais à un coût élevé. Bien qu'ils ne soient pas vraiment rares, la séparation des éléments du sol et de la roche nécessite des dizaines d'étapes, dont la plupart sont polluantes.

"Tous les oxydes de terres rares que nous allons utiliser se trouvent actuellement dans des minéraux", explique M. Opila. "Quelqu'un les extrait et doit ensuite les séparer. Par exemple, l'ytterbium et le lutécium sont voisins dans le tableau périodique. Ils sont si chimiquement similaires qu'il faut 66 étapes impliquant de nombreux produits chimiques et produisant des déchets désagréables.

Le problème de la séparation a amené Opila à poser une question qui est au cœur d'un autre projet sur lequel elle et ses étudiants travaillent et qui est lié au MURI : "Et si vous preniez un minéral composé des éléments que vous voulez directement dans le sol, sans les séparer, en le nettoyant simplement un peu et en fabriquant votre matériau à partir de cela ?"

Les chercheurs expérimentent le xénotime, un minéral courant, pour améliorer les revêtements de protection environnementale (EBC), qui protègent les pièces des moteurs à réaction contre des dangers tels que la vapeur à grande vitesse et le sable du désert. Le sable ingéré peut fondre en verre et réagir avec l'alliage sous-jacent s'il s'infiltre dans le revêtement.

"Nous savons que certains minéraux sont stables parce que nous pouvons les trouver dans le sol", a déclaré M. Stack. "On ne trouve pas de fer métallique dans le sol, mais de l'oxyde de fer, car c'est l'oxyde de fer qui est stable. Explorons pourquoi quelque chose est stable, ou si cela a d'autres propriétés utiles, et utilisons ces connaissances pour améliorer quelque chose."