Matériaux nanotechnologiques ultra-résistants

Des chercheurs ont utilisé des nanoparticules d'argile pour modifier un matériau polymère, le rendant 20 fois plus rigide, 4 fois plus résistant et capable de résister à des températures plus de deux fois plus élevées. Les nouveaux matériaux pourraient éventuellement être utilisés dans des tissus légers robustes, des matériaux d'emballage moins volumineux et des pièces de voiture beaucoup plus légères.

Les structures microscopiques dans un nouveau matériau nano-renforcé ultra-résistant changent de forme sous contrainte, modifiant la façon dont elles réfléchissent la lumière.

Le travail fait partie d'un effort croissant pour concevoir des matériaux avec des structures à l'échelle nanométrique qui imitent celles trouvées dans la nature, telles que celles des coquillages ultra-résistants. (Voir Silicon and Sun.) Dans les travaux en cours, les chercheurs du programme du MIT en science et technologie des polymères ont considérablement amélioré les propriétés d'un polyuréthane élastique utilisé dans des applications biomédicales en dispersant de minuscules particules d'argile à travers celui-ci.

Le polyuréthane élastique est généralement constitué de deux types de polymères, l'un dur et cristallin, l'autre un polymère mou et enchevêtré. Les chercheurs ont développé une méthode pour renforcer les structures rigides avec des plaquettes d'argile minces, plates et à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules d'argile relient les chaînes de polymère dur en un réseau continu qui traverse le polymère mou.

Le résultat est un matériau qui possède des propriétés généralement difficiles à combiner : rigidité et élasticité. Dans le passé, d'autres ont trouvé des moyens de rendre le matériau plus rigide, mais cela s'est accompagné d'un compromis, explique le chercheur principal Gareth McKinley, professeur de génie mécanique au MIT. Lors de tentatives précédentes, un matériau rendu sept fois plus rigide est devenu plus cassant – il s'est cassé, dit-il. McKinley a rendu le matériau encore plus résistant 23 fois - une mesure associée à la résistance du matériau - sans le rendre cassant. Nous sommes capables de le rendre à la fois plus fort et de le garder agréable et extensible, dit-il.

Étant donné que le nouveau matériau est rigide, il faut une quantité importante d'énergie pour le déformer. Mais même une fois que le matériau commence à se déformer, il ne se casse pas. Au lieu de cela, il absorbe encore plus d'énergie au fur et à mesure qu'il s'étire. En effet, le matériau nano-renforcé absorbera jusqu'à quatre fois la quantité d'énergie que le matériau d'origine sans se casser.

La plus grande ténacité signifie que beaucoup moins de matériau peut être utilisé, jusqu'à 75 pour cent de moins. De fines feuilles de matériau, tout en étant résistantes à la déchirure, seraient suffisamment flexibles pour servir d'emballage, comme pour les repas prêts-à-manger (MRE) de l'armée, explique McKinley. Le matériau pourrait également être filé en fibres pour fabriquer des tissus flexibles mais résistants à la déchirure.

Le nouveau matériau est également résistant à la chaleur : les particules d'argile améliorent énormément la résistance à haute température de ces polymères, explique McKinley. Le polyuréthane d'origine commence à se ramollir vers 100 °C, perd de sa rigidité et se brise facilement. Mais le nouveau matériau est résistant à la chaleur jusqu'à 200 degrés, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé dans des applications telles que le capot d'une voiture. Parce que les matériaux sont légers, les économies de carburant pourraient potentiellement être très importantes, dit McKinley.

Alors qu'Evangelos Manias, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Pennsylvanie, dit que le nouveau matériau est impressionnant, il avertit que le processus limite les façons dont le matériau peut être utilisé. S'il est trop chauffé lors de son incorporation dans un produit, les particules d'argile peuvent s'agglutiner, provoquant la perte des propriétés améliorées.

Manias dit que le processus utilisé pour le fabriquer est encore plus important que le nouveau matériau. Il a été difficile de disperser uniformément des nanoparticules telles que les argiles dans les polymères car elles ont des propriétés chimiques incompatibles : l'argile attire l'eau, tandis que les polymères la repoussent. Le problème est rendu plus difficile dans ce cas parce que les nanoparticules d'argile doivent se connecter uniquement avec les segments durs du polyuréthane et non avec le maillage polymère souple et extensible. Sinon, le matériau perdra son élasticité.

Pour permettre de localiser les nanoparticules d'argile aux bons endroits, McKinley et ses collègues du MIT ont développé un système qui utilise deux solvants, l'un pour disperser les nanoparticules d'argile et l'autre pour dissoudre le polymère. Ces deux solvants sont ensuite mélangés jusqu'à ce que les nanoparticules en suspension soient réparties uniformément dans tout le polymère dissous. Le solvant qui a dissous le polymère est ensuite évaporé, laissant derrière lui un enchevêtrement de polymère qui piège les particules d'argile. Comme cette méthode n'altère pas chimiquement les nanoparticules, comme cela a été fait dans d'autres approches, les particules conservent une affinité chimique avec les structures rigides du polyuréthane, ce qui les amène à se connecter à celles-ci et non aux parties molles de la structure.

Manias dit que ce processus pourrait s'appliquer à une grande variété de systèmes, en utilisant différentes nanoparticules, telles que les nanotubes, pour fabriquer des matériaux encore plus remarquables. La chose la plus importante est que cela peut être appliqué plus largement que le simple polyuréthane, dit-il. Il y a des domaines entiers de la science où cela peut être appliqué.

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