Ceux qui ont déjà fait de la poterie connaissent le processus. On prend de l'argile ou de la glaise – un mélange de particules minérales très fines avec de l'eau – et on le façonne en un «corps vert » encore brut. Le corps vert est séché puis cuit à haute température. Ce qui était encore malléable et friable au moment d'entrer dans le four en ressort dur et résistant. On obtient une céramique.
Des étapes de processus similaires à celles utilisées par les artistes et les artisans pour les pots et la vaisselle sont également utilisées pour la fabrication de céramique technique. Ici aussi, un corps vert est formé à partir de fines particules – les grains. Lorsque le corps vert est cuit, ou fritté dans le jargon technique, les grains s'assemblent pour former un matériau continu.
Si l'esthétique est au premier plan pour la céramique de tous les jours, tout tourne autour des propriétés du matériau pour la céramique technique. Chaque étape du processus est contrôlée avec précision. Différents matériaux de base, tailles de grains et processus de frittage permettent aux chercheurs en matériaux de développer des céramiques haute performance sur mesure pour toutes sortes d'applications, de la construction mécanique à la médecine. « On comprend déjà bien comment la taille et la densité des grains ainsi que le type de procédé de frittage influent sur les propriétés des matériaux », explique Michael Stuer, chercheur à l'Empa et chef de groupe au laboratoire de céramique haute performance. Dans un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS), Michael Stuer et son équipe ne se concentrent donc pas sur les grains, mais sur ce qui se trouve entre eux, sur ce qu'on appelle les joints de grains.
Bien que les grains individuels dans la céramique frittée ne puissent plus être séparés les uns des autres, ils subsistent dans le matériau : des « morceaux » cristallins microscopiques qui sont très proches les uns des autres. Partout où deux grains se rencontrent, une interface se forme. Comme ces joints de grains sont physiquement et chimiquement différents des grains eux-mêmes, ils sont particulièrement intéressants pour la science des matériaux. Ils peuvent par exemple favoriser les défauts ou au contraire produire des propriétés souhaitables.
Des possibilités illimitées
L'étude des joints de grains dans les céramiques polycristallines est une discipline encore jeune. Avec des tailles de l'ordre du nanomètre et entourées par les grains proprement dits, il est difficile de les mesurer et de les caractériser. « Auparavant, on fabriquait et on étudiait des bicristaux, c'est-à-dire seulement deux grains l'un contre l'autre », explique Michael Stuer. « Nous voulons maintenant voir dans quelle mesure les conclusions de ces études fondamentales peuvent être appliquées aux matériaux polycristallins, tels qu'ils sont utilisés dans le monde réel ».
Le projet de recherche est ambitieux. La géométrie des joints de grains est à elle seule complexe : différents types d'interfaces se forment en fonction de la position spatiale des grains les uns par rapport aux autres. De plus, les joints de grains peuvent présenter diverses caractéristiques chimiques et structurelles. « Les possibilités sont presque illimitées », dit Annalena Erlacher, chercheuse à l'Empa.
Pour mettre de l'ordre dans cette diversité, Annalena Erlacher travaille avec de l'oxyde d'aluminium. Les céramiques à base de ce minéral sont très répandues et extrêmement bien étudiées. Cela permet aux chercheurs de se concentrer sur les influences encore peu connues des joints de grains. A l'avenir, leurs connaissances pourront être appliquées à d'autres céramiques. « Nous voulons développer une technique de joints des grains : Un outil permettant de contrôler les propriétés du matériau de la céramique », explique Michael Stuer.
Dans ce but, Annalena Erlacher étudie d'abord l'effet d'un apport ciblé avec des terres rares sur les joints de grains. Ensuite, elle veut examiner à la loupe différentes tailles de particules ainsi que mieux comprendre l'influence de la pression lors du frittage. En outre, les chercheurs de l'Empa veulent mettre en place des collaborations dans ce jeune domaine afin d'aider la céramique technique à atteindre de nouveaux sommets grâce à la technique des joints de grains. « Une manipulation ciblée des joints de grains permettrait de contrôler les propriétés mécaniques et optiques de la céramique », dit Michael Stuer. Rien qu'avec l'oxyde d'aluminium, des applications nouvelles ou améliorées seraient ainsi possibles dans les domaines de l'optique, de la microélectronique et de la médecine.