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Céramique à changement de forme Eyed pour les dispositifs médicaux, l’électronique



Les chercheurs se rapprochent davantage de l’obtention de caractéristiques de mémoire de forme dans un matériau céramique généralement cassant.

Les chercheurs ont découvert un moyen de créer des matériaux céramiques qui peuvent changer de forme, ce qui pourrait signifier des améliorations significatives pour une gamme d’appareils électroniques et médicaux, ont-ils déclaré.

Une équipe internationale de chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities et de l’Université de Kiel en Allemagne a créé un moyen de produire une céramique à mémoire de forme réversible en modifiant la structure chimique du matériau.

Gu, et al., Université du Minnesota et Université de KielCéramique.jpg

Un diagramme montre ce qui s’est passé lorsque les chercheurs ont tenté de créer des céramiques à mémoire de forme avec un échantillon de matériau céramique. Au lieu d’améliorer la déformabilité de la céramique, ils ont observé que certains spécimens se sont progressivement effondrés en un tas de poudre, un phénomène qu’ils ont appelé « suintage ».

Les céramiques sont peut-être mieux connues pour leur utilisation dans les plats et les plaques, mais en raison de leurs propriétés semi-conductrices, supraconductrices, ferroélectriques et isolantes, elles ont également de nombreuses utilisations dans les applications électroniques.

Pourtant, bien qu’utile, la mémoire de forme a jusqu’à présent été une caractéristique réservée aux alliages et aux matériaux à base de polymères, tandis que les céramiques sont connues pour être fragiles et se casser assez facilement. Quiconque a déjà laissé tomber sa tasse à café préférée dans la cuisine en a fait l’expérience.

« La céramique à mémoire de forme serait un tout nouveau type de matériau fonctionnel », a expliqué Richard James, éminent professeur au département de mécanique de l’ingénierie aérospatiale de l’Université du Minnesota. « 

En effet, ces types de matériaux pourraient être utilisés dans l’électronique pouvant résister à des températures plus élevées ou à des environnements corrosifs – tels que des actionneurs à mémoire de forme – ou pour créer des céramiques ferroélectriques, dans lesquelles la transformation de phase peut être utilisée pour générer de l’électricité à partir de petites différences de température, il mentionné.

Ouvrant la voie

La création de céramiques à mémoire de forme n’était pas un processus simple pour les chercheurs, ont-ils déclaré. Tout d’abord, ils ont tenté d’y parvenir en utilisant une solution qui, dans le passé, a fonctionné pour la découverte de nouveaux matériaux métalliques à mémoire de forme. Cela implique de régler les distances entre les atomes en utilisant des changements de composition afin que les deux phases s’emboîtent bien, ont-ils déclaré.

Cependant, cette solution ne leur a pas donné les résultats souhaités. Au contraire, au lieu d’améliorer la déformabilité de la céramique, la tentative leur a laissé des céramiques qui ont explosé lors de leur passage par la phase de transformation, tandis que d’autres s’effondraient en un tas de poudre, un phénomène que les chercheurs ont qualifié de « pleurs ».

Finalement, les chercheurs ont réalisé une transformation de phase solide à solide qui était réversible, se transformant facilement entre les phases, similaire à la caractéristique d’un matériau à mémoire de forme typique, ont-ils déclaré.

« Plus précisément, lors du refroidissement de la céramique cinématiquement compatible (Zr/Hf)O2(YNb)O4 à travers sa transformation de phase tétragonale à monoclinique, le polycristal se désagrège lentement et régulièrement à ses joints de grains (un processus que nous appelons pleurant) ou même se désintègre de manière explosive », ont-ils expliqué dans un résumé pour un article détaillant leur travail dans le journal La nature. « Si, au lieu de cela, nous ajustons les paramètres de réseau pour satisfaire une condition d’« équidistance » plus forte (qui prend également en compte la forme de l’échantillon), le matériau résultant présente un comportement réversible avec une faible hystérésis. »

Bien que les chercheurs n’aient pas encore complètement résolu le casse-tête, les conditions mathématiques dans lesquelles ils ont obtenu une transformation réversible peuvent être largement appliquées pour ouvrir la voie à la céramique à mémoire de forme paradoxale, ont-ils déclaré.

« La théorie développée sur cette base ne décrit pas seulement le comportement [of the materials] mais montre également la voie à suivre pour obtenir les céramiques à mémoire de forme compatibles souhaitées », a déclaré Eckhard Quandt, co-auteur de l’article et professeur à l’Institut des sciences des matériaux de l’Université de Kiel.

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