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Des céramiques qui ne se briseront pas
Les céramiques sont légères et dures, mais vous ne pouvez pas en faire des moteurs à réaction car elles se briseraient comme des assiettes. Ainsi, les scientifiques des matériaux ont essayé d'imiter les matériaux naturels qui combinent la résistance (une mesure de la résistance à la déformation) avec la ténacité (une mesure de la résistance à la rupture). En particulier, ils se sont penchés sur le matériau poreux mais résistant appelé nacre qui recouvre les coquilles d'ormeau. Les chercheurs ont maintenant développé une méthode de fabrication de matériaux de type nacre en laboratoire. Ces nouveaux matériaux ont des propriétés mécaniques similaires aux alliages métalliques et sont les céramiques les plus résistantes jamais fabriquées. La nouvelle méthode pourrait ouvrir la voie à des matériaux de structure en céramique pour les bâtiments économes en énergie et des châssis automobiles légers mais résilients.
Biomimétisme en vrac : Les chercheurs de Berkeley ont fabriqué de gros morceaux de céramique résistante, tandis que d'autres scientifiques imitant des matériaux naturels résistants n'ont pu fabriquer que des films minces. La structure d'une céramique résistante imite celle des coquilles d'ormeau. Cette image au microscope électronique à balayage (en bas), prise lors d'un test de résistance, montre une source de ténacité du matériau : les dommages sont largement répartis dans de petites fissures confinées.
La nacre, également connue sous le nom de nacre, combine des plaques de carbonate de calcium solide mais cassant avec une colle protéinée molle dans une structure de brique et de mortier qui est 3 000 fois plus résistante que l'un ou l'autre constituant. Habituellement, lorsque les scientifiques fabriquent des composites en laboratoire, les propriétés des matériaux résultants sont en moyenne celles de leurs constituants. Quand la nature fabrique des composites, les propriétés sont meilleures, dit Robert Ritchie , président du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie à Berkeley, qui a codirigé la recherche sur la céramique. C'est parce que les composites de la nature ont des structures complexes difficiles à imiter. Les gens ont essayé, mais ne peuvent pas obtenir cette finesse de structure, dit Ritchie.
Pendant des années, les scientifiques ont essayé de concevoir de nouveaux matériaux à base de matériaux naturels résistants comme la nacre et l'os. La céramique de Berkeley montre vraiment que s'inspirer de la nature pour synthétiser de meilleurs matériaux peut être très réussi, dit Julia Greer , un scientifique des matériaux à CalTech.
Pour façonner leurs céramiques en structures semblables à de la nacre, les chercheurs de Berkeley créent d'abord une suspension aqueuse du matériau à modeler - dans ce cas, de l'oxyde d'aluminium. Ensuite, ils le refroidissent de manière très contrôlée. Vous évacuez la chaleur à une extrémité, explique Ritchie. Cela conduit à des structures longues et minces que les chercheurs pressent dans des structures microscopiques ressemblant à des briques après les avoir chauffées pour évaporer l'eau. Lorsque ce processus est répété, il crée une structure poreuse en couches de briques d'oxyde d'aluminium reliées les unes aux autres par des structures en forme de colonnes - les mêmes formes que celles que l'on trouve dans la nacre naturelle. Ensuite, pour imiter la colle protéique dans la coquille d'ormeau, les chercheurs remplissent les espaces avec un polymère. Ce processus est décrit en ligne dans la revue La science cette semaine. D'autres groupes ont réalisé des films minces de matériaux biomimétiques ; le groupe Berkeley a réussi à faire de grandes pièces.
Non amorties par le polymère, les briques seraient cassantes comme la plupart des céramiques. Mais le polymère permet aux couches semblables à des briques de glisser les unes sur les autres lorsqu'elles sont sollicitées, ce qui rend le matériau résistant aux fractures. En effet, cette structure de brique et de mortier est plus résistante que n'importe quelle céramique jamais fabriquée en laboratoire. Une ténacité élevée et une résistance élevée sont généralement incompatibles dans une céramique, dit Eric Stach , un ingénieur en matériaux à l'Université Purdue qui n'était pas impliqué dans les travaux de Berkeley. Mais les céramiques créées à Berkeley ont autant de résistance et de ténacité que les alliages d'aluminium, avec lesquels vous pouvez piloter des avions, explique Stach.
Bien qu'ils avertissent que les céramiques de type nacre en sont à leurs premiers stades de développement, les chercheurs de Berkeley affirment que les matériaux devraient permettre des applications de céramiques qui semblaient inaccessibles. Vous pouvez utiliser de la céramique pour fabriquer le châssis d'une voiture au lieu de l'acier et économiser du carburant, explique Ritchie. Antoni Tomsia, un scientifique des matériaux au Lawrence Berkeley Laboratory qui a codirigé la recherche, affirme que les céramiques résistantes, qui sont de bons isolants, pourraient faire double emploi en tant qu'éléments structurels dans les bâtiments écoénergétiques. Et ils pourraient également être utilisés dans des gilets pare-balles légers et des blindages de véhicules pour l'armée.
Les nouveaux travaux, selon les scientifiques des matériaux, montrent la voie à suivre pour les matériaux biomimétiques résistants. Paul Hansma , professeur de physique à l'Université de Californie à Santa Barbara, qualifie le travail d'étonnant et affirme que les performances de la nouvelle céramique élèvent la barre dans ce domaine important.
Ritchie et Tomsia sont convaincus qu'ils peuvent rendre le matériau encore meilleur. La nacre naturelle a des structures céramiques d'un ordre de grandeur plus petites que celles du matériau Berkeley, ainsi qu'un rapport brique/mortier plus élevé. Ritchie dit que le groupe travaille à rendre les briques en céramique plus petites et plus proches les unes des autres, et à diminuer la teneur en polymère. Ils expérimentent également différents mortiers. Parce que la céramique nouvellement développée contient un polymère gluant, elle échouerait dans des environnements à haute température comme l'intérieur d'un moteur. Ainsi, les chercheurs de Berkeley expérimentent des charges métalliques, qui peuvent résister à des températures plus élevées.