L’Institut Kourtchatov de Russie développe des matériaux à faible compensation thermique

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche russe a réussi à abaisser la température de travail de la compensation thermique d’un matériau en remplaçant partiellement le fer dans le borate de fer par du chrome, offrant ainsi une nouvelle solution de dilatation contrôlée pour les dispositifs optiques et électroniques de haute précision.

La grande majorité des matériaux se dilatent sous l’effet de la chaleur, ce qui pose des défis pour les équipements de haute précision tels que les miroirs et les lentilles des lasers puissants. Même une augmentation de température de seulement 10 à 20 degrés Celsius peut entraîner des variations infimes des dimensions des pièces, provoquant des dommages microscopiques et une dégradation fonctionnelle. La clé pour résoudre ce problème réside dans la recherche de matériaux à faible coefficient de dilatation thermique, voire négatif, mais ces matériaux sont rares et beaucoup ne peuvent être utilisés en ingénierie en raison de leur faible stabilité thermique. L’effet magnétostrictif offre une voie possible : la dilatation du matériau sous l’effet de la chaleur peut être compensée par la contraction due au réarrangement de la structure magnétique.

Le borate de fer (FeBO₃) possède de telles propriétés et est déjà largement utilisé dans la fabrication d’instruments, y compris les dispositifs de rayonnement synchrotron. Cependant, l’utilisation de ce matériau nécessite de chauffer le cristal à environ 77 degrés Celsius, ce qui augmente la consommation d’énergie et nécessite un système de chauffage supplémentaire. Une équipe de cristallographes de plusieurs centres de recherche russes a tenté de remplacer partiellement le fer dans le matériau par du chrome, car le borate de chrome présente des propriétés similaires. L’étude a comparé trois matériaux : FeBO₃, CrBO₃ et une composition mixte. Les résultats expérimentaux montrent que plus la teneur en chrome dans le matériau est élevée, plus la température à laquelle il perd son ordre magnétique est basse. Le « réarrangement » du borate de fer pur se produit à environ 77 degrés Celsius, celui de la composition mixte à 30 degrés Celsius, tandis que l’échantillon ne contenant que du chrome se produit à moins 262 degrés Celsius.

Le responsable du projet, Iaroslav Birioukov, chercheur principal à l’Institut de chimie des silicates I. V. Grebenchtchikov de l’Académie des sciences de Russie (une branche de l’Institut Kourtchatov – division Petiarev), a commenté que ce résultat ouvre la voie à la fabrication de composés efficaces à coefficient de dilatation précisément contrôlable, pouvant être utilisés dans l’optique de haute précision, la spintronique et les dispositifs électroniques. De plus, ces matériaux peuvent être ajustés pour fonctionner à des températures extrêmement basses, ce qui est important pour les technologies spatiales et les capteurs ultra-sensibles. Birioukov a révélé que la prochaine étape de l’équipe de recherche consistera à étudier en priorité les composés apparentés et à élargir la gamme de matériaux sélectionnés.

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le « Journal of Materials Chemistry C ». L’étude a été financée par la Fondation russe pour la science (РНФ), et les institutions participantes comprennent également l’Institut de physique L. V. Kirenski de la branche sibérienne de l’Académie des sciences de Russie, l’Université d’État de Saint-Pétersbourg, l’Université fédérale de Kazan et l’Université fédérale de Sibérie.