La science interdisciplinaire des matériaux, clé du progrès

Image précédente Image suivante

La recherche interdisciplinaire sur les matériaux est la clé pour résoudre les défis existentiels auxquels l'humanité est confrontée, a déclaré Julia M. Phillips, ancienne dirigeante des Sandia National Laboratories, aux chercheurs qui se sont réunis pour le symposium annuel de la Journée des matériaux du Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT le mois dernier.

"Ce qui est à la fois très excitant pour nous en tant que chercheurs en matériaux, et aussi un peu frustrant, c'est que le véritable impact des matériaux se produit lorsqu'ils se transforment en quelque chose que vous transportez réellement dans votre poche ou autre", a déclaré Phillips lors de l'événement du 11 octobre.

Au cours de la seconde moitié du XXe siècle, bon nombre des avancées technologiques que nous tenons pour acquises aujourd'hui, telles que les ordinateurs portables et les téléphones intelligents, sont venues d'avancées fondamentales dans la recherche sur les matériaux et la capacité de contrôler et de fabriquer des matériaux, a-t-elle déclaré. Phillips, qui a pris sa retraite de Sandia National Laboratories en tant que vice-président et directeur de la technologie, est également président du conseil consultatif externe du MRL et membre du Conseil national des sciences.

Le MRL est né de la fusion du Centre de traitement des matériaux et du Centre de science et d'ingénierie des matériaux, qui est entrée en vigueur le 1er octobre. Dans ses remarques liminaires, le directeur du MRL, Carl V. Thompson, a noté la nomination de Geoffrey SD Beach, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux en tant que codirecteur du MRL et chercheur principal du National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center.

Alimentée par les besoins industriels et la recherche financée par le gouvernement après la Seconde Guerre mondiale, "la recherche sur les matériaux a indéniablement été un modèle précoce de recherche interdisciplinaire", a déclaré Phillips. Avec de nouveaux outils tels que les microscopes à sonde à balayage pour comprendre la structure et les propriétés des matériaux, les scientifiques des matériaux de la dernière moitié du XXe siècle ont créé de toutes nouvelles classes de matériaux et de produits, allant des superalliages qui ont permis des moteurs à réaction plus gros et plus fiables aux super-réseaux à couches tendues qui sous-tendent l'enregistrement magnétique moderne, les lasers et les détecteurs infrarouges.

Les gains futurs proviendront de la capacité de synthétiser et de contrôler des matériaux de plus en plus complexes, a déclaré Phillips, notant les progrès dans des domaines tels que les supraconducteurs à haute température, les solides poreux comme les cadres organométalliques et les métamatériaux qui génèrent de nouvelles propriétés en combinant des matériaux biologiques, organiques, céramiques et métaux à une précision proche de l'échelle moléculaire d'une manière introuvable dans la nature.

"Quelque part dans l'espace flou entre les molécules et les matériaux", ces nouveaux matériaux ont des propriétés très intéressantes qui sont encore en train d'être pleinement explorées, et elles seront exploitées dans les années à venir, a noté Phillips. "Il est très clair pour beaucoup de gens que ceux-ci seront également transformationnels à mesure que nous avancerons."

L'approche de la recherche sur les matériaux, qui rassemble des chercheurs de différents domaines scientifiques et techniques pour résoudre des problèmes complexes, fournit un modèle pour résoudre les défis du 21e siècle en matière d'énergie, d'environnement et de durabilité ; soins de santé et médecine; vulnérabilité aux menaces humaines et naturelles; et l'expansion et l'amélioration des capacités et de la joie humaines. "Ce sont des exemples, mais vous pouvez voir des matériaux écrits partout dans cette liste, et je dirais que toute liste comparable que vous pourriez proposer aurait des matériaux écrits partout", a déclaré Phillips. "Afin de relever ces grands défis, nous devons vraiment être capables de traiter des systèmes réalistes complexes qui rassemblent toutes ces disciplines des sciences, de l'ingénierie, des sciences sociales et comportementales, et sans doute même des arts."

Les progrès de la compréhension scientifique et de la modélisation informatique accélèrent la capacité des chercheurs à prédire la structure et les propriétés des nouveaux matériaux avant de les fabriquer, a déclaré Phillips.

Les membres du corps professoral du MIT, Antoine Allanore, Polina Anikeeva, A. John Hart, Pablo Jarillo-Herrero, Juejun Hu et Jennifer Rupp, ont présenté des mises à jour de la recherche sur leurs travaux récents qui couvrent une gamme allant des matériaux en couches ultra-minces pour les nouveaux appareils électroniques et les sondes de niveau cellulaire pour le cerveau et la moelle épinière aux méthodes à plus grande échelle pour l'impression 3D et le traitement des métaux.

Fusion de matériaux 2D avec CMOS

Le professeur agrégé de physique Pablo Jarillo-Herrero empile des couches bidimensionnelles atomiquement minces de différents matériaux pour découvrir de nouvelles propriétés. Le laboratoire de Jarillo-Herrero a fait la démonstration de photodétecteurs, de cellules solaires et de la LED la plus fine au monde. Avec des matériaux tels que le séléniure de tungstène, la modification du nombre de couches modifie également leurs propriétés électroniques. Bien que le graphène lui-même n'ait pas de bande interdite, l'alignement étroit des réseaux de graphène et de nitrure de bore ouvre une bande interdite de 30 millivolts dans le graphène, a-t-il déclaré.

"Vous avez un contrôle électronique complet avec des tensions de grille", a déclaré Jarillo-Herrero. En utilisant du ditellurure de molybdène bicouche, qui est 10 000 fois plus mince qu'une cellule solaire en silicium, il a montré dans un travail publié dans Nature Nanotechnology, qu'un photodétecteur de seulement 10 nanomètres d'épaisseur peut être intégré sur un guide d'ondes à cristal photonique en silicium. expliqué. "Il peut être aussi fin que 4 nanomètres, donc il est toujours ultra fin, et vous avez un haut degré de contrôle dans une plate-forme ultra fine. Le tout est semi-transparent afin que nous puissions voir la lumière entrer et sortir." Ces nouveaux appareils peuvent fonctionner à des longueurs d'onde de télécommunications en ajustant la bande interdite du matériau.

Matériaux à changement de phase

Juejun "JJ" Hu, professeur agrégé Merton C. Flemings de science et d'ingénierie des matériaux, réduit la consommation d'énergie, réduit la taille de l'appareil et accélère la vitesse de traitement grâce à des combinaisons innovantes de matériaux qui alternent entre deux états solides différents, ou phases, comme un alliage de germanium, d'antimoine, de sélénium et de tellure. Ces matériaux constituent la base du stockage non volatil, ce qui signifie que leur état de mémoire est préservé même lorsque l'alimentation est coupée. Hu a collaboré avec le professeur Jeffrey C. Grossman et l'ancien post-doctorant Huashan Li pour identifier les matériaux souhaitables pour ces alliages à partir de calculs de premiers principes, et l'étudiant diplômé en science des matériaux et en génie Yifei Zhang a effectué une grande partie du travail expérimental.

Une génération antérieure de dispositifs basés sur le germanium, l'antimoine et le tellure (GST) souffre de pertes dues à l'absorption de la lumière par le matériau. Pour surmonter ce problème, Hu a remplacé une partie du tellure par un élément plus léger, le sélénium, créant une nouvelle structure à quatre éléments de germanium, d'antimoine, de sélénium et de tellure (GSST). "Nous augmentons la bande interdite pour supprimer l'absorption des courtes longueurs d'onde, et nous minimisons en fait toute mobilité des porteurs pour atténuer l'absorption des porteurs libres", a-t-il expliqué. La commutation entre les états amorphe et cristallin peut être déclenchée par une impulsion laser ou un signal électrique.

Bien que la commutation d'état structurel se produise de l'ordre de 100 nanosecondes, trouver les techniques pour y parvenir a pris un an de travail, a déclaré Hu. Plus précisément, il a découvert que l'utilisation de matériaux qui basculent entre les états amorphe et cristallin permet de diriger la lumière sur deux chemins différents et réduit la consommation d'énergie. Il a couplé ce matériau à changement de phase optique GSST avec des microrésonateurs et des guides d'ondes en nitrure de silicium pour montrer ce comportement. Ces commutateurs basés sur des matériaux à changement de phase peuvent être connectés dans une matrice pour permettre un contrôle variable de la lumière sur une puce. À terme, Hu espère utiliser cette technologie pour construire des circuits intégrés photoniques reprogrammables.

De nouveaux outils pour l'exploration du cerveau

Classe de 1942 Professeur agrégé en science et ingénierie des matériaux Polina Anikeeva travaille à la frontière entre les dispositifs synthétiques et le système nerveux. Les appareils électroniques traditionnels, d'une dureté semblable à celle d'un couteau, peuvent déclencher une réaction de corps étranger à partir du tissu cérébral, qui est généralement aussi mou que du pudding ou du yaourt. En collaboration avec le professeur Yoel Fink et d'autres collègues du MIT, Anikeeva a développé des dispositifs à base de polymères souples pour stimuler et enregistrer l'activité des tissus du cerveau et de la moelle épinière en empruntant aux techniques de dessin de fibres optiques.

Une première version de leurs fibres multifonctionnelles comprenait trois éléments clés : des électrodes conductrices en polyéthylène carbone composite pour enregistrer l'activité des cellules cérébrales ; un guide d'ondes en polycarbonate transparent avec un revêtement en copolymère d'oléfine cyclique pour fournir de la lumière ; et des canaux microfluidiques pour administrer des médicaments.

"En utilisant cette structure, pour la première fois, nous avons pu enregistrer, stimuler et moduler pharmacologiquement l'activité neuronale", a déclaré Anikeeva. Mais l'appareil a enregistré l'activité de groupes de neurones, et non de neurones individuels. Anikeeva et son équipe ont résolu ce problème en intégrant du graphite dans les électrodes composites en polyéthylène, ce qui a suffisamment augmenté leur conductivité pour les rétrécir en une structure aussi fine qu'un cheveu humain. Le dispositif comporte six électrodes, un guide d'onde optique et deux canaux microfluidiques.

Pourtant, l'ajout de graphite a augmenté la taille et la dureté du dispositif en polycarbonate vitreux, de sorte que son groupe s'est tourné vers un nouveau procédé utilisant des polymères caoutchouteux et extensibles qu'ils ont ensuite recouverts d'un treillis de nanofils métalliques conducteurs. "Ce maillage de nanofils métalliques conducteurs peut maintenir une faible impédance même à 100% de contrainte, et il conserve son intégrité structurelle sans aucun changement jusqu'à 20% de contrainte, ce qui est suffisant pour que nous puissions opérer dans la moelle épinière", a déclaré Anikeeva.

Ses étudiants ont implanté ces fibres revêtues de nanofils chez des souris, ce qui leur a permis de stimuler et d'enregistrer l'activité neuronale dans la moelle épinière. Une vidéo a montré une souris déplaçant son membre postérieur lorsqu'un signal optique délivré à la moelle épinière lombaire a voyagé le long du nerf sciatique jusqu'au muscle gastrocnémien. Dans ces expériences, le dispositif implanté chez la souris n'a montré aucune baisse de performance un an après la chirurgie, a déclaré Anikeeva.

Plus récemment, Anikeeva a développé des nanoparticules à base d'oxyde de fer qui chauffent dans un champ magnétique appliqué, ce qui peut déclencher une réponse des neurones du cerveau qui expriment des canaux ioniques sensibles à la chaleur tels que le récepteur de la capsaïcine, le même mécanisme qui se déclenche lorsque nous mangeons des piments forts. Expérimentant avec des souris, Anikeeva a injecté ces minuscules particules profondément dans le cerveau dans une section associée à la récompense.

« Dans notre laboratoire, nous avons commencé par modéliser l'hystérésis dans les nanoparticules magnétiques, en synthétisant une large gamme de ces nanomatériaux en concevant de l'oxyde de fer avec des dopants et en examinant différentes tailles et formes, en développant une électronique de puissance et une trousse d'outils biologiques pour évaluer ce processus », a expliqué Anikeeva. "Dans ce cas, il n'y a pas de fil dur externe, pas de fils, pas d'implants, rien ne dépasse du cerveau. … Cependant, ils peuvent maintenant percevoir le champ magnétique." dit-elle. Pour quantifier leurs résultats, les chercheurs ont mesuré l'influx d'ions calcium dans les neurones. Les travaux portent désormais sur le raccourcissement du temps de réponse à quelques millièmes de seconde en améliorant le rendement calorifique des nanoparticules magnétiques.

Céramiques pour batteries à semi-conducteurs, capteurs de dioxyde de carbone et calcul memristif

Jennifer LM Rupp, professeure adjointe Thomas Lord de science et génie des matériaux, a présenté des recherches montrant qu'un électrolyte de grenat de lithium solide peut conduire à des batteries miniaturisées sur une puce de circuit intégré.

Les problèmes de sécurité concernant les batteries au lithium proviennent de leur composant liquide, qui sert d'électrolyte et présente un risque de prendre feu dans l'air. Remplacer l'électrolyte liquide par un électrolyte solide pourrait rendre les batteries plus sûres, a expliqué Rupp. Ses recherches montrent qu'un matériau céramique fait de grenat, un matériau qui est peut-être plus familier en tant que pierre précieuse, peut effectivement faire passer le lithium à travers une cellule de batterie, mais parce qu'il est solide, peut être très sûr pour les batteries et avoir également la possibilité d'être miniaturisé en architectures à couches minces. Ce grenat est un composé à quatre éléments de lithium, de lanthane, de zirconium et d'oxygène.

"Le lithium est complètement encapsulé, il n'y a aucun risque d'inflammation", a déclaré Rupp.

Dans des recherches publiées, Rupp a montré que l'association d'une anode d'oxyde de lithium et de titane avec un électrolyte de grenat céramique et le brouillage de l'interface entre les deux matériaux permettaient un temps de charge de la batterie beaucoup plus rapide pour les cellules à grande échelle. Les leçons tirées de l'application de ces matériaux de grenat ont également indiqué une nouvelle utilisation pour la détection du dioxyde de carbone.

"Nous pouvons reconfigurer les électrodes pour avoir une électrode qui sert simplement de référence et une autre qui subit une réaction chimique avec le dioxyde de carbone, et nous utilisons un potentiel de suivi pour suivre le changement effectif de la concentration de dioxyde de carbone dans l'environnement basé sur le traitement en masse", a-t-elle expliqué. Rupp développe également des matériaux multicouches contraints pour améliorer le stockage de la mémoire memristive et des éléments informatiques.

Frontière pour les métaux à haute température

Le professeur agrégé de métallurgie Antoine Allanore a souligné que de 1980 à 2010, le monde a presque doublé sa consommation de matériaux, avec la croissance la plus rapide pour les métaux et les minéraux. Une telle demande est due au formidable faible coût et à la productivité élevée du traitement des matériaux. La majorité de ces processus impliquent à un certain stade une opération à haute température et souvent l'état fondu de la matière. Le développement de la science et de l'ingénierie de l'état fondu offre d'énormes opportunités, par exemple la gestion de la chaleur dans les processus à haute température tels que l'extraction des métaux et la fabrication du verre. La fabrication de l'acier, par exemple, est déjà un processus de fabrication très efficace, produisant des barres d'armature, des bobines ou des fils d'acier à un coût inférieur à 32 cents par kilogramme. "La productivité est en fait le critère clé pour que le traitement des matériaux réussisse et compte à l'échelle du défi consistant à ajouter 2 milliards de personnes au cours des 20 prochaines années", a-t-il déclaré.

Le groupe d'Allanore a démontré que le sulfure d'étain à haute température, environ 1 130 degrés Celsius, est un générateur thermoélectrique efficace. "Nous avons des indications que le facteur théorique de mérite pour certains sulfures peut aller jusqu'à 1 à 1 130 [degrés Celsius]. Pour le sulfure de cuivre fondu par exemple, nous avons des estimations de la conductivité thermique, du point de fusion, et nous avons un coût qui est un peu élevé à mon avis, mais c'est la nature de la recherche ", a déclaré Allanore. Lorsque son groupe a examiné les données existantes, ils ont découvert que pour de nombreux composés fondus de soufre et d'un métal, comme l'étain, le plomb ou le nickel, le facteur de mérite thermoélectrique, ainsi que les phases de composition, n'avaient jamais été quantifiés, ouvrant une frontière pour la recherche en science des nouveaux matériaux à haute température.

"Il est en fait très difficile de savoir quelles sont les véritables propriétés du liquide", a déclaré Allanore. "J'ai besoin de savoir si ce matériau aura une semi-conductivité. J'ai besoin de savoir s'il sera plus dense ou plus léger qu'un autre liquide. … Nous n'avons pas réellement de méthodes de calcul pour prédire une telle propriété pour les liquides à haute température."

Pour résoudre le problème, Allanore a étudié la relation dans les fusions à haute température entre les propriétés de transport, y compris la conductivité électrique et les coefficients Seebeck, et une propriété thermodynamique appelée entropie. "Nous avons élaboré un modèle théorique qui relie la propriété de transport, comme la puissance thermique, et la propriété thermodynamique comme l'entropie. Ceci est important car cela fonctionne pour les semi-conducteurs, cela fonctionne pour les matériaux métalliques et, plus important encore, cela permet de découvrir les régions d'immiscibilité dans les liquides ", a déclaré Allanore. L'immiscibilité signifie qu'un matériau dans l'état donné se séparera en deux phases qui ne se mélangeront pas et resteront séparées.

Allanore a également développé une nouvelle méthode d'observation de composés fondus comme l'alumine, à l'aide d'un four à zone flottante, qui est un tube de quartz transparent situé à la distance focale de quatre lampes. "Si nous pouvons faire cela avec des oxydes, nous aimerions vraiment le faire avec des sulfures", a-t-il expliqué, montrant une image de sulfure d'étain fondu assis sur une plaque de graphite dans le four à zone flottante. La large gamme de températures et de propriétés des matériaux en fusion, "l'état ultime de la matière condensée", permet une meilleure gestion de la chaleur, des températures de traitement plus élevées et une récupération d'électricité ou un contrôle électrique du flux de chaleur, a-t-il déclaré.

L'impression 3D un nouveaufabricationmodèle

La fabrication traditionnelle nécessite des économies d'échelle, en particulier des volumes de production importants en raison des coûts fixes nécessaires à la mise en place du processus de production, mais l'impression 3D et d'autres technologies de fabrication additive offrent une alternative de produits et d'appareils personnalisables à hautes performances, a déclaré le professeur agrégé de génie mécanique A. John Hart.

La fabrication additive est déjà une activité de 6 milliards de dollars par an avec une portée allant des effets spéciaux hollywoodiens aux buses de moteurs à réaction de haute technologie. "La fabrication additive permet déjà une collection diversifiée de matériaux, d'applications et de processus associés, notamment par extrusion de plastiques, fusion de métaux, utilisation de lasers et par des réactions chimiques coordonnées qui se font essentiellement avec un contrôle ponctuel", a expliqué Hart.

« Nous pouvons penser à accéder à de nouveaux espaces en termes de valeur des produits que nous créons à l'aide de la fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D. L'impression 3D remodèle les axes par lesquels nous jugeons la viabilité économique d'un processus de fabrication et nous permet d'accéder à de nouveaux espaces de valeur. .

Par exemple, le groupe de Hart a étudié les imprimantes 3D existantes pour découvrir comment accélérer le processus d'environ 60 minutes à seulement 5 à 10 minutes pour imprimer une pièce mécanique portable telle qu'un engrenage. L'ancien étudiant diplômé Jamison Go, SM '15 a dirigé ce travail, a déclaré Hart, en construisant une imprimante 3D de bureau de la taille d'un petit four à micro-ondes. Le système comporte un système de contrôle pour la tête d'impression qui déplace les moteurs vers le coin ; un mécanisme d'extrusion qui entraîne le filament de polymère de base comme une vis ; et un laser qui pénètre et fait fondre le polymère.

"En combinant le contrôle de mouvement rapide, le transfert de chaleur élevé et la force élevée, nous pouvons surmonter les limites du système existant", a expliqué Hart. La nouvelle conception est trois à 10 fois plus rapide en termes de vitesse de construction que les machines existantes.

"Ce genre d'avancées peut également changer notre façon de penser à la production d'objets. Si vous pouvez faire quelque chose rapidement, vous pouvez réfléchir à la façon dont vous pourriez, ou comment les autres pourraient, travailler différemment", a-t-il déclaré. Il a mentionné, par exemple, les médecins qui pourraient avoir besoin d'imprimer en 3D une pièce pour une opération médicale d'urgence, ou un technicien de réparation qui pourrait utiliser une imprimante 3D plutôt que de tenir un inventaire de nombreuses pièces de rechange.

Le groupe de Hart travaille actuellement en collaboration avec Oak Ridge National Lab sur des algorithmes d'optimisation des parcours d'outils d'impression 3D et adapte ses innovations aux imprimantes 3D à grande échelle. "Nous pouvons envisager d'étendre ces principes à des systèmes à haute productivité qui n'impriment pas seulement de petites choses mais impriment de grandes choses", a déclaré Hart.

Hart a également travaillé avec l'impression 3D de cellulose, qui peut être utilisée pour la personnalisation de produits de consommation et de dispositifs antimicrobiens, et qui est le polymère naturel le plus abondant au monde. Il a cofondé la société Desktop Metal avec trois autres membres du corps professoral du MIT et Ric Fulop, SL '06, qui est le PDG de Desktop Metal. "La société n'a que deux ans et commercialisera bientôt son premier produit qui permet une approche entièrement nouvelle de l'impression 3D métallique", a déclaré Hart.

Article précédent Article suivant