Matériaux solides, légers et extensibles

Les chercheurs ont dispersé de minuscules plaquettes d'oxyde d'aluminium dans un polymère pour fabriquer un matériau résistant, extensible et léger. Le matériau pourrait conduire à des implants osseux et dentaires plus durables et à des pièces de voiture et d'avion plus légères et plus économes en carburant. Il pourrait également être utilisé pour fabriquer des composants électroniques pliables et transparents.

Copier la nature : Une coupe transversale de nacre, ou nacre, montre des plaquettes de carbonate de calcium disposées en couches séparées par un biopolymère (en haut). Les chercheurs ont imité la structure de la nacre en dispersant des plaquettes d'oxyde d'aluminium dans le biopolymère chitosan (en bas), ce qui donne un nanocomposite solide, extensible et léger.

Dans leurs efforts pour créer des matériaux solides mais légers, les chimistes et les scientifiques des matériaux ont longtemps essayé d'imiter les nanostructures trouvées dans la nature. Les coquillages, les os et l'émail des dents sont tous constitués de plaquettes de céramique rigides disposées dans une matrice polymère comme des briques dans du mortier. Ces matériaux hybrides combinent la résistance des céramiques et l'extensibilité des polymères.

En 2007, des chercheurs de l'Université du Michigan ont conçu des polymères renforcés d'argile qui étaient extrêmement résistants mais cassants : il faut beaucoup d'énergie pour les déformer, mais lorsqu'ils se déforment, ils se cassent brusquement. Les chercheurs du MIT ont réussi à fabriquer des composites argile-polymère rigides mais moins cassants, qui toléreront un certain étirement avant de se briser. (Voir Matériaux nanotechnologiques ultra-résistants.)

Ludwig Gauckler , le professeur de matériaux à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich, en Suisse, qui a dirigé les nouveaux travaux, affirme que le composite de son groupe est encore meilleur. Il est cinq fois plus résistant que le matériau fabriqué au MIT, dit-il, mais il est toujours extensible. Un film du composite est déjà aussi résistant qu'une feuille d'aluminium, dit Gauckler, mais s'il est étiré, il peut s'étendre jusqu'à 25 pour cent de sa taille ; le papier d'aluminium se briserait à 2 pour cent.

Un avantage supplémentaire du matériau hybride est qu'il est léger, explique Andre Studart, scientifique des matériaux de Harvard, qui a participé aux travaux. Le matériau est moitié à un quart aussi lourd que l'acier de la même résistance, dit Studart, et il ferait un bon substitut à la fibre de verre, qui est couramment utilisée dans les pièces automobiles. Parce que la résistance du matériau provient des plaquettes diffusées à travers lui, dit Studart, il sera résistant dans deux directions et pas seulement dans une direction, comme dans le cas des matériaux renforcés de fibres.

De plus, alors que le matériau est maintenant translucide, sa structure pourrait être modifiée pour le rendre transparent, le rendant ainsi adapté au matériau dentaire et aux circuits électroniques transparents.

Pour assembler leur matériel, les chercheurs dispersent des plaquettes d'oxyde d'aluminium dans de l'éthanol et étalent le mélange sur de l'eau. Les plaquettes s'organisent en une seule couche à la surface de l'eau. Ensuite, les chercheurs plongent une plaque de verre dans la solution, transférant les plaquettes dans le verre. Enfin, ils déposent une couche de chitosane polymère biocompatible au-dessus des plaquettes. Les chercheurs répètent ce processus jusqu'à ce que l'épaisseur du composite final soit de quelques dizaines de micromètres, puis ils décollent le matériau de la plaque de verre avec une lame de rasoir.

En concevant le matériau, les chercheurs ont soigneusement étudié la structure mécanique de la nacre, la couche brillante à l'intérieur des coquillages, et ont essayé de l'améliorer. La nacre a des plaquettes faites de carbonate de calcium disposées en couches à l'intérieur d'un polymère à base de protéines. La taille de ces plaquettes a quelque chose de très spécial, dit Studart. Nacre utilise une longueur et une épaisseur de plaquettes spécifiques pour obtenir la haute résistance et [l'extensibilité] que vous voyez dans les métaux.

Le rapport entre la longueur et l'épaisseur des plaquettes doit être juste, dit Studart. S'il est trop élevé, les plaquettes se cassent lorsque le matériau est étiré. S'il est trop bas, le matériau n'est pas très rigide.

Les chercheurs ont choisi de travailler avec des plaquettes d'oxyde d'aluminium, qui sont cinq fois plus résistantes que les plaquettes de carbonate de calcium présentes dans la nacre. Ils ont également rendu leurs plaquettes plus minces - environ 200 nanomètres de diamètre, par opposition aux 500 à 1 000 nanomètres des plaquettes naturelles - pour réduire le risque de défauts dans leur structure. Le meilleur rapport longueur/épaisseur moyen, ont calculé les chercheurs, est de 40, ils ont donc fait des plaquettes de 5 à 10 micromètres de long. Des plaquettes plus fortes nous permettent d'utiliser un rapport plus élevé et donc d'obtenir une résistance plus élevée, par rapport aux coques, avec une concentration de plaquettes plus faible, explique Studart. Les faibles concentrations sont importantes, dit-il, car cela signifie que le composite contient plus de polymère et a beaucoup [d'extensibilité].

C'est ce qui se rapproche le plus de la duplication de la structure mécanique et du comportement d'un matériau naturel, dit Francois Barthelat , professeur de génie mécanique et chercheur en matériaux biomimétiques à l'Université McGill, à Montréal, Québec. Mais avant que le matériau puisse être utilisé, dit-il, les chercheurs devront développer un moyen plus rapide de le fabriquer en plus grandes quantités.

professeur de chimie à l'université de Princeton Ilhan Aksay pense que la technique doit être facilement modifiable pour qu'elle soit adaptée à la fabrication en vrac. Vous pourriez faire de grandes formes avec cette technique, dit-il. Il imagine que le matériau pourrait être utile pour les implants osseux et dentaires.

Gauckler dit que le matériau a besoin de nombreuses améliorations avant de pouvoir être utilisé dans la pratique. Un meilleur polymère rendrait le composite plus solide. Les chercheurs doivent également trouver un moyen d'obtenir une meilleure liaison entre l'oxyde d'aluminium et le polymère. Pour l'instant, dit Gauckler, nous avons montré que nous pouvons [s'approcher de] faire un travail aussi bon que la nature.

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