En faisant flotter des gouttes de matière à plus de 2 000 °C, les chercheurs du laboratoire orléanais CEMHTI repoussent les limites de la science des matériaux. Porté par le CNRS et soutenu par l'ANR, le projet CAPRE s’appuie sur une technique de lévitation aérodynamique qui ouvre la voie aux matériaux métastables.

Faire léviter une goutte de matière à plus de 2 000 °C peut sembler relever de la science-fiction. Cette technique est pourtant devenue un outil de recherche stratégique au laboratoire CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux Haute Température et Irradiation) d’Orléans pour concevoir de nouveaux matériaux à la frontière entre verre et céramique et aux propriétés inédites. La lévitation aérodynamique est notamment exploitée dans le cadre du projet CAPRE porté par le CNRS et financé par l'ANR.

Lorsqu’un matériau doit être fondu à des températures extrêmes, aucun récipient classique ne résiste. « Nous utilisons donc la lévitation aérodynamique. Un petit échantillon est fondu par un faisceau laser, formant une goutte qui est maintenue en équilibre sur un jet de gaz », explique Michael Pitcher, chargé de recherche du CNRS au laboratoire CEMHTI. Mais l’intérêt de la lévitation ne s’arrête pas là. Les matériaux ciblés contiennent plusieurs éléments différents et il est essentiel de bien les mélanger pour réussir une synthèse. Dans la goutte fondue, une bonne homogénéisation chimique peut être obtenue en quelques secondes, bien plus rapide que les plusieurs heures requises dans l’état solide. Une fois le matériau fondu, les chercheurs coupent brutalement le chauffage. La petite bille refroidit alors à une vitesse impressionnante, plusieurs centaines de degrés par seconde. « Nous figeons ainsi la structure atomique du liquide fondu dans l'état solide, ce qui nous permet d’obtenir du verre », précise Michael Pitcher.

Plus tard, en utilisant des traitements thermiques appropriés, ils peuvent provoquer une cristallisation du verre pour obtenir des céramiques ou bien des matériaux intermédiaires appelés vitro-céramiques. C’est précisément cette transformation du verre vers la céramique qui intéresse les chercheurs. « Pour nous ces verres permettent une voie d’accès originale vers de nouvelles céramiques. En effet, en le chauffant doucement, le verre cristallisera dans des formes inédites et difficiles à obtenir autrement, à cause de leur métastabilité. »

Découvrir des matériaux plus performants

Ces matériaux peuvent associer les avantages du verre et des céramiques, telles que la transparence alliée à une forte résistance mécanique ou une excellente performance photoluminescente. « La lévitation ouvre également de nouvelles perspectives pour explorer des familles de matériaux encore peu étudiées. La plupart des verres utilisés aujourd’hui reposent sur la silice, détaille le chercheur. Nous cherchons donc désormais à vitrifier d’autres composés, basés sur des aluminates ou des métaux de transition, afin de découvrir des matériaux avec des propriétés inédites. »

Les applications potentielles sont nombreuses. Dans l’aéronautique et l’aérospatial, ces matériaux pourraient résister à des conditions extrêmes. D’autres recherches concernent les céramiques transparentes, aussi claires que du verre mais beaucoup plus robustes. Certaines sont déjà utilisées pour fabriquer des vitrages d’avions militaires.

La technique a également conduit à un brevet déposé en 2023 autour du YAG, un matériau essentiel dans les LED et de nombreux lasers. En modifiant finement sa composition grâce à ces procédés, les chercheurs peuvent ajuster plus précisément les couleurs et les fréquences lumineuses produites. Un enjeu majeur pour l’éclairage de nouvelle génération mais aussi pour des applications médicales telles que l’ophtalmologie, la dermatologie ou l’imagerie.

Cet article a été écrit par Elodie Cerqueira, journaliste, dans le cadre du projet ANR SAPS CSTI 2020.

Illustration M-L Thurier / CNRS DR08