De nouveaux matériaux pour simuler la physique atomique
Les simulations par informatique des théories au niveau atomique prendront de l'importance dans la recherche de matériaux haute performance. Dans la plupart des cas, ces méthodes donnent des résultats exacts sur les structures atomique, électronique, chimique et magnétique des matériaux. Les méthodes basées sur le principe premier permettent aussi d'étudier au niveau atomique des structures et des phénomènes qui sont actuellement hors de portée des expériences. Le projet ALPAM (Atomic-level physics of advanced materials) a ainsi mis au point une méthode fonctionnelle de densité quasiment non uniforme, et une approche au niveau atomique des propriétés thermodynamiques et cinétiques, pour des alliages dotés de degrés inhabituels de liberté magnétique. Dernièrement, le projet a mis en avant une théorie atomique transparente de la plasticité, pour des métaux et des alliages ayant une structure cristalline cubique à face centrée. Les chercheurs ont appliqué les outils du projet pour étudier la transition ordre-désordre de catégories importantes d'alliages magnétiques, y compris les alliages interstitiels. Ils se sont intéressés à la thermodynamique de divers défauts ponctuels ou planaires (défauts de lacunes, aux interfaces ou d'empilement) dans des alliages de fer, révélant un ensemble d'effets magnétiques anormaux. Dans des alliages de fer, chrome et nickel (Fe-Cr-Ni, type austénite), les énergies des défauts d'empilement (qui contrôlent les déformations plastiques) ont une dépendance fortement non linéaire envers la composition, qui peut provenir de la contribution magnétique à l'énergie du défaut. Pour beaucoup d'applications pratiques, il est indispensable de connaître avec exactitude les propriétés plastiques, par exemple pour la modélisation phénoménologique des mécanismes de durcissement. La plupart des problèmes scientifiques auxquels le projet s'est attaqué sont étroitement associés avec d'importants problèmes industriels. Par exemple, on estime que l'effet d'une ségrégation hors équilibre est largement responsable de l'appauvrissement en Cr aux limites des grains dans l'acier austénitique irradié, conduisant à des fissures de corrosion qui sont souvent impliquées dans les accidents des centrales nucléaires. Les informations obtenues par l'équipe sur les propriétés électroniques du fer ont aussi permis d'effectuer un important travail interdisciplinaire en géologie. Ceci a montré que sous des pressions et des températures élevées, la phase cubique centrée du fer est dynamiquement stable. En outre, ces travaux ont montré que des propriétés d'alliages cubiques centrés riches en fer et comprenant une petite portion de métaux légers, sont cohérentes avec les observations sismiques. Ceci suggère que les alliages de fer à structure cubique centrée sont des modèles possibles pour le noyau interne de la Terre. Le projet ALPAM a élucidé des processus et des propriétés à l'échelle atomique qui expliquent les propriétés macroscopiques des matériaux, et généré des données complètes du principe premier, utilisables pour la modélisation à plusieurs échelles. Ceci a conduit à des informations détaillées sur les relations entre la composition, la structure et les propriétés, les paramètres d'interaction des défauts, et les mécanismes atomiques des processus, pour les phases des alliages étudiées.
Mots‑clés
Physique atomique, matériaux sophistiqués, ALPAM, alliages, métaux, propriétés d'élasticité
