Un nouveau matériau super résistant et léger

Un nouveau type de matériau, composé d'entretoises à l'échelle nanométrique entrecroisées comme les entretoises d'une minuscule tour Eiffel, est l'une des substances les plus solides et les plus légères jamais fabriquées.

Petites fermes : Une image au microscope électronique à balayage du nouveau matériau révèle ses nano-réseaux de céramique.

Si les chercheurs peuvent comprendre comment fabriquer ce matériau en grande quantité, il pourrait être utilisé comme matériau de structure pour la fabrication d'avions et de camions, ainsi que dans les électrodes de batterie.

Des chercheurs dirigés par le scientifique des matériaux de Caltech Julia Greer ont découvert qu'en concevant soigneusement des entretoises et des joints à l'échelle nanométrique, ils pourraient fabriquer des céramiques, des métaux et d'autres matériaux qui peuvent récupérer après avoir été écrasés, comme une éponge. Les matériaux sont très solides et suffisamment légers pour flotter dans l'air comme une plume. Les travaux sont publiés aujourd'hui dans la revue La science .

Dans les matériaux conventionnels, la résistance, le poids et la densité sont corrélés. La céramique, par exemple, est solide mais aussi lourde, de sorte qu'elle ne peut pas être utilisée comme matériau de structure lorsque le poids est critique, par exemple dans les carrosseries de voitures. Et lorsque la céramique échoue, elle a tendance à échouer de manière catastrophique, se brisant comme du verre.

Mais à l'échelle nanométrique, les mêmes règles ne s'appliquent pas. Dans cette gamme de taille, les propriétés structurelles et mécaniques de la céramique deviennent moins liées à des propriétés telles que le poids, et elles peuvent être modifiées plus précisément.

Pour la céramique, plus petit est plus résistant, dit Greer, qui a été nommé l'un des Examen de la technologie MIT 35 Innovators Under 35 en 2008 pour ses travaux sur la mécanique à l'échelle nanométrique. Cela signifie que les fermes à l'échelle nanométrique fabriquées à partir de matériaux céramiques peuvent être à la fois très légères - ce qui n'est pas surprenant, car elles sont principalement constituées d'air - et extrêmement solides.

En 2011, des chercheurs de Laboratoires HRL , une société privée de recherche en ingénierie, a créé l'un des matériaux les plus légers jamais fabriqués, un micro-réseau de tubes métalliques creux. Greer a travaillé avec l'entreprise pour caractériser le matériau et a ensuite choisi de relever le plus grand défi de fabriquer des céramiques aux propriétés similaires. Cela a nécessité un réglage fin des structures à l'échelle nanométrique, ce qui signifie que les matériaux sont encore plus difficiles à produire.

Pour fabriquer les nano-fermes en céramique, le laboratoire de Greer utilise une technique appelée lithographie interférentielle à deux photons. Cela s'apparente à une imprimante laser 3D à très faible rendement.

Ils utilisent d'abord cette méthode pour créer la structure souhaitée, un réseau, à partir d'un polymère. Le réseau polymère est ensuite recouvert d'une céramique telle que l'alumine. Le plasma d'oxygène grave le polymère, laissant derrière lui un réseau de tubes creux en céramique.

Le laboratoire de Greer a montré qu'en modifiant l'épaisseur des parois du tube, il est possible de contrôler la façon dont le matériau échoue. Lorsque les murs sont épais, la céramique éclate sous la pression comme prévu. Mais les fermes aux parois plus minces, à peine 10 nanomètres d'épaisseur, se déforment lorsqu'elles sont comprimées, puis retrouvent leur forme.

Vous ne vous attendez pas à ce que ces matériaux se rétablissent - vous vous attendez à ce qu'ils soient cassants et se fracturent, dit Christophe Spadaccini , un ingénieur spécialisé dans la fabrication de matériaux au Lawrence Livermore National Laboratory du Département américain de l'énergie en Californie.

Les nouveaux matériaux pourraient être particulièrement intéressants pour une utilisation dans les piles, les notes Nicolas Croc , ingénieur en mécanique au MIT qui travaille également sur les céramiques nanostructurées. Les nanostructures ont une surface très élevée et sont légères, une combinaison qui pourrait constituer une batterie à charge rapide qui stocke beaucoup d'énergie dans un emballage pratique. En fait, Greer dit qu'elle collabore avec une société d'électronique allemande Bosch d'appliquer ses conceptions aux batteries lithium-air.

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