Une astuce simple transforme le polymère commercial en fibre la plus résistante au monde

En science des matériaux, la ténacité est une mesure de la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant de se briser. Le Kevlar, par exemple, peut absorber environ 80 Joules par gramme avant de se briser, mais cela est éclipsé par certains matériaux naturels qui sont beaucoup plus résistants. La soie produite par l'araignée géante fluviale, par exemple, peut absorber environ 390 joules par gramme avant de se briser.

Il y a donc un grand intérêt à trouver de nouveaux matériaux qui peuvent égaler ou surpasser les performances des matériaux naturels pour des applications qui nécessitent des niveaux élevés d'absorption d'énergie.

Aujourd'hui, Nicola Pugno de l'Université de Trente en Italie révèle une astuce remarquablement simple qui augmente considérablement la résistance de presque tous les types de fibres. En effet, Pugno dit qu'il a utilisé cette technique pour créer la fibre la plus résistante au monde.

La nouvelle idée est d'une simplicité trompeuse : elle n'implique rien de plus que de nouer un nœud coulant dans la fibre, créant une boucle de fibre supplémentaire qui peut passer à travers le nœud lorsqu'il est sous tension.

Le mécanisme est simple. Lorsque la fibre est mise en tension, le nœud coulant commence à se resserrer et le matériau supplémentaire passe à travers le nœud, dissipant l'énergie par friction.

Bien sûr, la fibre finit par se rompre, mais seulement après que tout le matériau de la boucle ait traversé le nœud coulant.

De toute évidence, cela ne rend pas le matériau plus résistant (la ténacité et la résistance sont des propriétés différentes qui ne sont généralement pas corrélées). Cependant, il n'est pas difficile de voir comment la dissipation d'énergie augmenterait considérablement la quantité d'énergie absorbée par la fibre avant de se briser, augmentant ainsi sa ténacité.

Pugno dit qu'il a testé l'idée sur un certain nombre de matériaux en utilisant différents nombres de boucles et de nœuds coulissants. Les meilleurs résultats proviennent de l'utilisation de trois nœuds coulissants, dit-il.

En appliquant cette astuce simple à une fibre polymère commerciale appelée Endumax, il a augmenté sa ténacité de 44 joules par gramme à un remarquable 1070 joules par gramme. C'est la valeur la plus élevée jamais enregistrée. La preuve de concept est réalisée expérimentalement pour fabriquer la fibre la plus résistante au monde, dit-il.

C'est encore mieux que les fibres fabriquées à partir de nanotubes que les scientifiques des matériaux commencent tout juste à fabriquer. Le plus résistant d'entre eux, fabriqué à partir de nanotubes de carbone, a une ténacité de 970 joules par gramme.

Pugno dit que son travail n'est qu'un début et qu'il devrait être possible d'utiliser sa technique du nœud coulant pour fabriquer des fibres de graphène d'une ténacité de 100 000 joules par gramme.

Des défis nous attendent, bien sûr. Idéalement, la force requise pour faire passer la fibre à travers le nœud doit être juste en dessous du point de rupture du matériau et cela dépend de facteurs tels que la topologie du nœud. Le choix du nœud a une influence importante sur le comportement du matériau et des travaux ultérieurs pourraient conduire à de nouvelles conceptions. Pugno dit qu'il fait actuellement breveter sa conception de nœud coulant et qu'il ne l'a donc pas encore publié.

Les applications potentielles de cette idée sont nombreuses. Des matériaux plus résistants pourraient évidemment être utilisés dans des domaines où l'absorption d'énergie est importante, comme la fabrication de gilets pare-balles par exemple.

C'est une idée efficace et bon marché qui a un potentiel important. C'est aussi extraordinairement simple, ce qui pourrait bien être la raison pour laquelle il a été négligé jusqu'à présent.

Réf : arxiv.org/abs/1304.6658 : L'œuf de Colomb pour fabriquer les fibres les plus résistantes au monde

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