Les métaux sont des matériaux polyvalents qui nous accompagnent au quotidien, qu'il s'agisse de grands éléments de construction ou de minuscules composants dans nos appareils électroniques, d'outils robustes ou d'élégants bijoux. Dans la plupart des applications, les métaux se présentent sous une structure cristalline ordonnée, qu'ils adoptent presque toujours lorsqu'ils se solidifient à partir de la masse fondue. Mais que se passe-t-il lorsque les atomes de métal ne s'organisent pas en motifs clairs ? Si l'on refroidit très rapidement certains alliages à partir de la fusion, ils se solidifient dans une structure « désordonnée » – amorphe – qui ressemble à celle du verre. C'est pourquoi ces métaux amorphes sont également appelés « verres métalliques ».

Les verres métalliques sont un peu comme le Saint Graal de la métallurgie. Ils sont aussi durs que le verre de quartz et leur surface lisse est particulièrement résistante aux rayures et à la corrosion. Mais contrairement au verre, les verres métalliques sont élastiques et reprennent plus facilement leur forme initiale après une déformation que les métaux ordinaires. Cela en fait un matériau très recherché pour les applications médicales et la technologie spatiale.

Le problème réside toutefois dans la fabrication des verres métalliques, car la plupart des métaux « veulent » reprendre leur forme cristalline naturelle. « Il est difficile de conserver la structure amorphe, surtout lors de la fabrication de composants de grande taille », explique Damien Terebenec, chercheur à l'Empa qui effectue des recherches sur les verres métalliques au Centre d'analyse des rayons X de l'Empa.

Éliminer la gravité

Les chercheurs en matériaux comme Damien Terebenec travaillent avec des alliages complexes et des processus contrôlés avec précision pour produire des métaux amorphes. Pour cela, il est nécessaire de bien comprendre les propriétés physiques du matériau, notamment sous sa forme liquide, en fusion. Et ce n'est pas non plus facile : « Il faut étudier les gouttelettes de métal liquide en suspension, car le contact avec un creuset peut déclencher une cristallisation du métal et ainsi compromettre toute l'expérience », explique Damien Terebenec. On peut y parvenir en utilisant par exemple des champs électromagnétiques puissants – mais la gravité de la Terre déforme les gouttelettes rondes et fausse les mesures.

C'est pourquoi Damien Terebenec et d'autres chercheurs du Centre d'analyse des rayons X, sous la direction d'Antonia Neels, ont recours à une plateforme de recherche très particulière : la Station spatiale internationale (ISS). Dans le cadre du projet de recherche « THERMOPROP » de l'Agence spatiale européenne (ESA), dirigé par Antonia Neels, les chercheurs étudient les propriétés physiques des verres métalliques en microgravité – la quasi-absence de pesanteur en orbite terrestre proche. Parallèlement, des essais sont également en cours à l'Empa à Dübendorf, où Antonia Neels, Damien Terebenec et leurs collègues étudient la structure des verres métalliques à l'aide de différentes techniques de radiographie.

« Les données issues des essais effectués sur l'ISS sont intégrées dans des simulations informatiques qui permettent à leur tour de développer et d'optimiser des processus industriels », explique Antonia Neels. Malgré les hauteurs dans lesquelles se déroulent une partie des expériences, le projet est en effet loin d'être « hors sol » : dès le début, un partenaire industriel participe au projet aux côtés des chercheurs de l'Empa et de l'EPFL. L'entreprise suisse PX Group de La Chaux-de-Fonds fabrique des verres métalliques pour l'industrie horlogère, où les matériaux durs et souples sont utilisés pour des mécanismes précis et des boîtiers robustes. « Notre partenaire a déjà pu intégrer nos connaissances issues du projet dans des processus de fabrication améliorés », explique Antonia Neels.

Des mécanismes fiables pour les satellites

Mais les connaissances acquises à bord de l'ISS et à l'Empa sont aussi réinjectées dans l'espace. Outre leurs domaines d'application terrestres, les verres métalliques conviennent également à des applications à bord de vaisseaux spatiaux et de satellites. Leur élasticité et leur résistance ont permis de construire des mécanismes fiables qui fonctionnent longtemps sans entretien. Dans le cadre d'un deuxième projet avec l'ESA, les chercheurs de l'Empa soumettent des échantillons de matériaux aux rudes conditions de l'espace.

L'expérience en question, appelée « SESAME », s'est envolée vers l'ISS en novembre 2024 et a été installée en décembre à l'extérieur du module de laboratoire européen « Columbus ». Il comprend de nombreux échantillons de matériaux provenant de 15 instituts de recherche européens. Après environ un an dans l'espace, les échantillons doivent revenir sur Terre pour être analysés – parmi eux, le verre métallique de l'équipe de l'Empa. « Nous pouvons simuler certaines conditions de l'espace sur la Terre, comme les variations de température, le vide ou le rayonnement – mais pas tout ensemble », explique Antonia Neels. « Nous voulons savoir si un séjour prolongé dans les conditions spatiales modifie la structure du matériau. Car la structure définit les propriétés du matériau », ajoute Damien Terebenec.

Les expériences menées sur l'ISS se déroulent en différentes phases. Ainsi, d'autres expériences avec des verres métalliques liquides de l'Empa à bord de l'ISS sont prévues pour l'année prochaine. « Ces deux projets se poursuivront probablement jusqu'à la fin de l'ISS en 2030 », précise Antonia Neels. Il y a en effet encore beaucoup à apprendre dans – et pour – l'espace. Les projets sont menés dans le cadre du programme ESA PRODEX (Programme de développement d'expériences scientifiques) et soutenus par le Swiss Space Office (SSO) et le bureau PRODEX.