Une équipe du SLAC observe en temps réel la fusion progressive du cuivre à des températures extrêmes

Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory, dépendant du Département de l'Énergie des États-Unis, et leurs collaborateurs ont utilisé le dispositif de diffraction électronique ultrarapide à mégaélectronvolts (MeV-UED) pour observer en temps réel le processus de fusion des atomes de cuivre à des températures extrêmes. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Les futures centrales à fusion devront reproduire sur Terre les réactions de fusion qui se produisent au cœur des étoiles. La température du plasma au cœur peut atteindre des centaines de millions de degrés Celsius, tandis que les matériaux structurels environnants doivent résister à des chocs thermiques soudains et violents. Le cuivre et ses alliages, en raison de leurs bonnes propriétés de conductivité thermique, sont considérés comme capables de jouer le rôle de « dissipateur de chaleur » dans les systèmes de fusion, contribuant à absorber et à transférer la chaleur générée par les matériaux situés à proximité de la zone de réaction. Par conséquent, comprendre le comportement microscopique du cuivre à des températures proches ou supérieures à son point de fusion revêt une importance de référence pour la conception des matériaux des dispositifs de fusion.

Les tests traditionnels consistent généralement à observer l'état final de l'échantillon après traitement à haute température, ce qui rend difficile la reconstitution du processus précis de fusion. Dans cette étude, l'équipe a placé une fine membrane de cuivre dans le dispositif MeV-UED du SLAC, a chauffé rapidement l'échantillon à l'aide d'un laser, puis a utilisé un faisceau d'électrons pour capturer les changements structurels à l'échelle atomique pendant le chauffage. Ce dispositif est capable d'enregistrer les mouvements atomiques et moléculaires à l'échelle de la femtoseconde, offrant ainsi aux chercheurs les conditions nécessaires pour suivre pas à pas le processus de fusion du cuivre.

Les simulations antérieures suggéraient que, lors d'un chauffage ultrarapide, le cuivre commencerait à fondre depuis la surface à environ 1085 degrés Celsius ; à mesure que la température augmente, les côtés et les bords de l'échantillon continuent de fondre, tandis que la zone centrale, soumise à une pression plus élevée, peut maintenir sa structure cristalline plus longtemps. Lorsque la température atteint environ 1424 degrés Celsius, soit environ 1,25 fois le point de fusion et la limite de surchauffe du cuivre, le réseau cristallin restant devrait s'effondrer soudainement et se transformer en un état liquide totalement désordonné.

Les résultats expérimentaux diffèrent de cette prédiction. Les chercheurs n'ont pas observé d'effondrement instantané du réseau cristallin, mais plutôt un processus de fusion plus lent et continu. Même lorsque la température dépassait la limite de surchauffe attendue, le réseau cristallin du cuivre ne perdait pas immédiatement son ordre.

L'équipe de recherche estime que la différence provient du traitement simplifié des conditions de pression dans les simulations. Les modèles existants supposent généralement que le cuivre en cours de fusion se trouve dans un environnement statique, avec une pression uniforme autour de l'échantillon et des positions atomiques soumises à des contraintes fixes ; or, dans les expériences réelles de chauffage ultrarapide, l'état de pression est plus dynamique, et les atomes peuvent subir une relaxation et se déplacer. Ces variations de pression et de mouvement atomique permettent au cuivre de conserver un certain degré d'ordre structurel même au-delà de la limite de surchauffe. Après avoir intégré ces facteurs dans des simulations de dynamique moléculaire, l'équipe a réussi à reproduire le comportement des atomes de cuivre observé expérimentalement.

Mianzhen Mo, scientifique du SLAC responsable de cette étude, a indiqué que les données expérimentales réelles peuvent mettre en évidence les facteurs clés négligés dans les simulations complexes, améliorant ainsi les prédictions du comportement extrême des matériaux. Siegfried Glenzer, auteur principal de l'article et directeur de la division des sciences de la haute densité d'énergie au SLAC, a déclaré que des observations à haute précision et haute résolution contribuent à révéler les processus dynamiques ultrarapides et ultramicroscopiques, et à améliorer la capacité prédictive des modèles.

Les expériences ont également montré que, dans des conditions de chauffage ultrarapide, le cuivre présente un phénomène de prémelting, c'est-à-dire que, avant d'atteindre le point de fusion standard, la surface des grains nanométriques et les zones de joints de grains commencent déjà à subir une désorganisation.

L'équipe de recherche prévoit, dans une prochaine étape, de poursuivre les tests du comportement du cuivre dans des conditions de pression hydrostatique, afin d'observer s'il subira un effondrement près de la limite de surchauffe comme le prédisent les simulations. Sur la base d'une meilleure compréhension des propriétés du cuivre pur, l'équipe étudiera également la dynamique plus complexe des alliages de cuivre, ainsi que leur potentiel d'absorption de la chaleur dans les systèmes de fusion. Cette recherche a été partiellement soutenue par la division des sciences de l'énergie de fusion du bureau des sciences du Département de l'Énergie des États-Unis et par des projets de recherche et développement dirigés du laboratoire SLAC.