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Les surprenantes propriétés des quasicristaux

Les quasicristaux sont des matériaux ordonnés à grande distance mais non périodiques. Pour comprendre leurs propriétés physiques, des chercheurs du laboratoire Science et ingéniérie des matériaux et procédés (CNRS – Grenoble INP - Université Joseph Fourier), en collaboration avec des équipes françaises, japonaises, américaines, slovaques et allemandes, ont comparé la façon dont les atomes vibrent dans un quasicristal et dans un cristal périodique « approximant ». Les résultats expérimentaux, couplés à des simulations numériques, montrent les surprenantes propriétés d’isolant thermique d’un quasicristal formé d’un alliage métallique. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Materials de décembre 2007.

La découverte, il y a plus de 20 ans, d’une nouvelle classe de matériaux appelés quasicristaux et dans lesquels les atomes sont arrangés de manière à préserver un ordre à grande distance mais sans périodicité, contrairement aux cristaux, a immédiatement fasciné les mathématiciens, les physiciens, les chimistes et même certains artistes. Depuis, les chercheurs ont pu synthétiser dans différents alliages métalliques des quasicristaux sous forme de mono-grains ayant un ordre à grande distance parfaitement défini et se comportant de façon surprenante comme des isolants électriques et thermiques.

Grâce au développement de techniques d’analyses sophistiquées, on sait depuis peu comment sont situés les différents atomes dans un quasicristal. Mais comprendre l’effet de la quasipériodicité sur les propriétés physiques reste encore un défi puisque toutes les études sur les propriétés des matériaux cristallins sont basées sur la notion de périodicité.

Les chercheurs ont étudié l’effet de l’ordre quasi-cristallin sur les modes de vibration d’un alliage métallique ternaire composé de zinc (Zn), de magnésium (Mg) et de scandium (Sc) et d’un cristal périodique « approximant » Zn-Sc. La structure atomique du quasicristal et de l’approximant a été déterminée dans le système cadmium, ytterbium (CdYb) (figure 1). Dans le système ZnSc et ZnMgSc, la structure est similaire (le Zn substituant le Cd et le Sc substituant l’Yb). Ils ont ainsi effectué des mesures sur ce composé et son « approximant » dont la structure est un empilement périodique du même amas atomique que celui observé dans le quasicristal. L’objectif était de regarder l’influence de l’ordre local (amas atomique) et l’ordre à longue distance (quasipériodique) sur l’agitation thermique, ce mouvement incessant dont sont animés les atomes ou molécules qui constituent la matière. L’influence de l’ordre local est reliée à l’amas atomique. L’effet de l’ordre à grande distance est soit l’effet de la périodicité, soit l’effet de la quasipériodicité.

figure1 quasi

Figure 1 : modèle atomique de la phase quasicristalline i-CdYb. La partie de gauche montre les couches successives de l’amas atomique qui décrit l’approximant et le quasicristal. Les sphères de couleur bleue représentent les atomes d’Yb. La partie de droite illustre la façon dont les amas sont répartis dans le quasicristal.

Des expériences de diffusion inélastique de neutrons et de rayons-X ont été réalisées dans trois très grands équipements : le Laboratoire Léon Brillouin (Saclay) et l’Institut Laue Langevin (Grenoble), sources de neutrons, et une source de rayonnement synchrotron japonaise, SPRING 8. Les résultats montrent des différences significatives entre les deux composés (figure 2).² L’ordre quasi-cristallin induit une sorte de «brouillage » du signal et les auteurs ont montré que ce phénomène avait des conséquences directes sur la conductivité thermique de ces matériaux. Ces mesures ont ensuite été simulées en utilisant des modèles complexes*.Pour la première fois, les simulations les reproduisent parfaitement jusque dans leurs détails et montrent en particulier les différences entre le quasicristal et son « approximant ».

figure 2 quasi

Figure 2 : courbes de dispersion du quasicristal et de l’approximant dans le système Zn-Mg-Sc. Les symboles représentent les résultats obtenus par diffusion inélastique des neutrons, la simulation étant représentée par une échelle de couleur.

Ce nouveau modèle va permettre de mieux comprendre les relations entre quasipériodicité et propriétés physiques et pourquoi les quasicristaux se forment. Au-delà, ce résultat montre qu’il est maintenant possible de simuler les propriétés physiques de matériaux complexes, non seulement quasicristallins, mais également de cristaux désordonnés ou amorphes, fréquemment rencontrés en science des matériaux.

* Modèle atomique du quasi-cristal utilisant des potentiels d’interactions extraits de calculs ab initio.

Références

1. H. Takakura, C.P. Gomez, A. Yamamoto, M. de Boissieu, and A.P. Tsai, Atomic structure of the binary icosahedral Yb-Cd quasicrystal. Nature Materials, 2007. 6: p. 58-63.

2. M. de Boissieu, S. Francoual, M. Mihalkovic, K. Shibata, A.Q.R. Baron, Y. Sidis, T. Ishimasa, D. Wu, T. Lograsso, L.P. Regnault, F. Gähler, S. Tsutsui, B. Hennion, P. Bastie, T.J. Sato, H. Takakura, R. Currat, and A.P. Tsai, Lattice dynamics of the Zn–Mg–Sc icosahedral quasicrystal and its Zn–Sc periodic 1/1 approximant. Nature Materials, 2007. 6: p. 977-984.

3. T. Janssen, Comparative Dynamics. Nature Materials, 2007. 6: p. 925-926.

Contact chercheur

Marc de Boissieu
Tél : 04 76 82 67 03

Courriel : marc.de-boissieu@ltpcm.inpg.fr

Contacts institut

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Courriels : christophe.cartier@cnrs-dir.fr, martine.hasler@cnrs-dir.fr