Une technique pour réaliser une radiographie parfaite des matériaux

Dans de nombreuses sciences, il est d'une importance fondamentale de comprendre en détail les structures internes des matériaux et souvent de littéralement les « radiographier ». Par exemple, en chimie et en biologie pour comprendre les structures cristallines des protéines et donc leurs fonctions. Ou encore, en science des matériaux, pour comprendre - un exemple parmi tant d'autres - ce qui rend les aimants particulièrement puissants.

Aperçu des structures internes

Le physicien Andreas Michels sait de quelle manière il est possible de regarder à l'intérieur de la matière : il est spécialisé dans la technique dite de diffusion des neutrons, une technique qui permet d'étudier des structures qui se situent à une échelle de longueur particulièrement intéressante : Dans une échelle d'environ 1 nanomètre – qui correspond approximativement au diamètre d'une molécule d'ADN - à quelques 100 ou même 1 000 nanomètres – qui correspondent respectivement à un millième ou à un centième du diamètre d'un cheveu humain. Une échelle de taille appelée échelle de longueur mésoscopique, qui est extrêmement importante, comme le souligne Michels : « C'est à cette échelle de longueur que sont déterminées de nombreuses propriétés que l'on peut déterminer de manière macroscopique, par exemple dans un aimant permanent. Ses propriétés dépendent de ce qui se passe à moyenne échelle. Quelle est la taille des cristallites, c'est-à-dire des composants granulaires des matériaux, dont la taille est comprise entre 10 nm et 10 µm ? Sont-elles statistiquement réparties ou placées d'une certaine manière ? Ces aspects déterminent essentiellement les propriétés de l'aimant et peuvent être étudiés avec la technique de diffusion des neutrons. » Cela est très important à comprendre car : Si les chercheurs connaissent les relations entre la structure et les propriétés d'un aimant, ils peuvent optimiser ses performances. 

Une description détaillée des méthodes

Cependant, pour que les mesures et les descriptions des matériaux soient fiables, il faut une compréhension très précise de la technique de diffusion des neutrons, qui est extrêmement complexe. Andreas Michels travaille sur le sujet depuis sa thèse de doctorat il y a 24 ans et a récemment publié un livre de près de 400 pages résumant l'état actuel des connaissances. « Je me suis rendu compte très tôt que la description théorique de cette technique comportait de nombreuses lacunes et que certaines choses étaient tout simplement fondamentalement fausses. Cela m'a motivé à creuser plus profondément autour de ce sujet et d'investir des décennies dans cette recherche », explique le chercheur. En 2010, il avait reçu une bourse ATTRACT du Fonds National de la Recherche (FNR) pour établir son équipe de recherche au sein de l'Université du Luxembourg.

De la théorie à l'application

Andreas Michels ne se voit pas comme un spécialiste des matériaux qui poursuivrait cette approche : Comment devons-nous fabriquer le matériau pour que telle ou telle propriété ressorte ? Pour lui, les matériaux avec lesquels il travaille sont le moyen d'arriver à une fin, afin de comprendre encore mieux sa méthodologie. Néanmoins, la méthodologie est utilisée dans une variété de techniques qui deviennent de plus en plus importantes : Les aimants néodyme-fer-bore, par exemple, forts et coûteux, doivent être bien compris avant d'être utilisés dans les voitures électriques ou les éoliennes. En outre, l'optimisation de sa méthodologie permet également de mieux comprendre les nouvelles classes d'aimants qui sont utilisées entre ces aimants coûteux et les aimants en ferrite plus bon marché (comme ceux utilisés dans les réfrigérateurs) : Les aimants au manganèse et au bismuth, par exemple, ont le potentiel de combler cette lacune.

Text: Tim Haarmann
Éditeur: Michèle Weber (FNR)
Foto: Didier Hatz