31 Mai 2013

Les expériences spatiales apportent une troisième dimension à la science de la solidification

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. Il vient de mettre en évidence une structure cellulaire présentant une dynamique oscillante.

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.

Le projet DECLIC-DSI a été installé dans la Station Spatiale Internationale pour éliminer les perturbations liées à la convection puis téléopéré depuis le centre des opérations en vol CADMOS à Toulouse. Le projet DECLIC-DSI est le fruit d'une collaboration scientifique entre des chercheurs de l'IM2NP (UMR CNRS 7334, Université d'Aix-Marseille), de Northeastern University (Boston) et de Iowa State University (Ames). Il est soutenu par la région PACA.

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.

 

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.

Références de l'article

Spatiotemporal Dynamics of Oscillatory Cellular Patterns in Three-Dimensional Directional Solidification. N.Bergeon1, D.Tourret2, L.Chen1, J.M.Debierre1,R.Guérin1, A.Ramirez1, B.Billia1, A.Karma2 and R.Trivedi3, Physical Review Letters (mai 2013)

1Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence, Aix-Marseille Université and CNRS UMR 7334, Campus Saint-Jérôme, Case 142, 13397 Marseille Cedex 20, France
2Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems, Northeastern University, Boston, Massachusetts 02115, USA
3Department of Materials Science and Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa 50010, USA

Contacts

  • Contact scientifique : Nathalie Bergeon, Enseignant-chercheur, Maître de conférences Aix-Marseille Université
  • Responsable de la thématique sciences de la matière en micropesanteur : Christophe Delaroche

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