Une expérience spatiale pour mieux comprendre la solidification des alliages métalliques

Les expériences spatiales apportent une troisième dimension à la science de la solidification
Article parru dans la revue Physical Review Letters

 

Réseau cellulaire oscillant : observation en vue de dessus de l’interface solide-liquide (Expériences en microgravité dans le DECLIC-DSI / Alliage transparent modèle des alliages métalliques). Sur l’ensemble du réseau, les oscillations sont incohérentes mais dans des zones localement ordonnées, comme par exemple dans la zone encadrée où le réseau est hexagonal, des sous-réseaux oscillants présentant des relations de phase particulières apparaissent.

Les alliages métalliques dits de structure sont utilisés dans de nombreuses applications comme le génie civil ou les industries du transport. Les propriétés, en particulier mécaniques, de ces matériaux résultent des microstructures obtenues au cours de la solidification. Maîtriser le développement de la microstructure est donc essentiel pour obtenir des matériaux aux propriétés spécifiques. En outre, la solidification est un système modèle pour la formation de structures et leur organisation en réseaux, générique en physique des phénomènes hors équilibre. L’instabilité de l’interface solide-liquide en solidification dirigée d’alliages conduit au développement d’un réseau de cellules, alignées sur la direction de croissance, et de taille caractéristique de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de microns. L’étude de la formation de ces réseaux sur terre dans des configurations tridimensionnelles est rendue difficile par la présence de convection dans le liquide qui transporte les éléments d’alliages et crée des inhomogénéités de concentration macroscopiques.

 

Dans le cadre d’un projet conjoint CNES-NASA (projet  DECLIC-DSI)*, un dispositif permettant d’observer in situ et en temps réel la formation des microstructures de solidification dans un échantillon de grandes dimensions a été réalisé par le CNES et installé dans la Station Spatiale Internationale pour éliminer les perturbations liées à la convection. Le projet DECLIC-DSI est le fruit d’une collaboration scientifique entre des chercheurs del’IM2NP (UMR CNRS 7334, Université d’Aix-Marseille), de Northeastern University (Boston) et de Iowa State University (Ames).

 

Dans un article récent de la revue Physical Review Letters, ces physiciens mettent en lumière une structure cellulaire présentant une dynamique oscillante de type “respiratoire” : les cellules se dilatent et se rétractent périodiquement. Ces oscillations ne sont généralement pas corrélées d’une cellule à l’autre du fait du désordre intrinsèque du réseau. Il arrive cependant que plusieurs cellules s’ordonnent localement pour former un réseau régulier et leurs oscillations s’organisent alors, comme par exemple sur le réseau hexagonal où trois sous-réseaux oscillent avec un déphasage de 120 degrés (cf. figure). A un instant donné, les cellules du sous-réseau le plus avancé inhibent les autres, mais les rôles s’inversent périodiquement. Ces résultats révèlent une forte interaction entre la structure du réseau et sa dynamique.

 

D’un point de vue plus général, les mécanismes de croissance de base identifiés ici peuvent être pertinents pour comprendre un large éventail de structures périodiques dans des systèmes extrêmement variés de la physique ou de la biologie. Par exemple, l’expression de trois gènes couplés s’inhibant mutuellement donne lieu à une oscillation similaire, ce qui est une illustration de l’universalité de la dynamique des systèmes non-linéaires.

* ce projet bénéficie du soutien de la Région PACA

 


En savoir plus :

Spatiotemporal Dynamics of Oscillatory Cellular Patterns in Three-Dimensional Directional Solidification. N.Bergeon, D.Tourret, L.Chen, J.M.Debierre,R.Guérin, A.Ramirez, B.Billia, A.Karma and R.Trivedi, Physical Review Letters (mai 2013)
Contact chercheur :

Nathalie Bergeon, Enseignant-chercheur, Maître de conférences Aix-Marseille Universiténathalie.bergeon@im2np.fr
Informations complémentaires :

  • Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence (Im2np) | CNRS | Aix-Marseille Université | Université du Sud Toulon Var
  • Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on ComplexSystems, NortheasternUniversity, Boston, Massachusetts, USA
  • Department of Materials Science and Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa, USA
  • DECLIC à l’Im2np : www.im2np.fr/recherche/mca/DECLIC/index.html

En savoir plus sur le Projet DECLIC au CNES : Bernard Zappoli, Responsable des programmes de sciences de la matière, CNES bernard.zappoli@cnes.fr


 

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