Inspirés par la façon dont les termites construisent leurs nids, les chercheurs de Caltech ont développé un cadre pour concevoir de nouveaux matériaux qui imitent les règles fondamentales cachées dans les modèles de croissance de la nature. Les chercheurs ont montré qu’en utilisant ces règles, il est possible de créer des matériaux conçus avec des propriétés programmables spécifiques.
La recherche, dirigée par Chiara Daraio, professeur G. Bradford Jones de génie mécanique et de physique appliquée et chercheuse à l’Institut de recherche médicale du patrimoine, a été publiée dans la revue La science le 26 août.
« Les termites ne mesurent que quelques millimètres de long, mais leurs nids peuvent atteindre 4 mètres de haut, l’équivalent d’un humain construisant une maison à la hauteur du mont Whitney en Californie », explique Daraio. Si vous regardez à l’intérieur d’une termitière, vous verrez un réseau de structures asymétriques et interconnectées, comme l’intérieur d’une miche de pain ou d’une éponge. Composée de grains de sable, de poussière, de saleté, de salive et de bouse, cette structure désordonnée et irrégulière semble arbitraire, mais une termitière est spécifiquement optimisée pour la stabilité et la ventilation.
« Nous avons pensé qu’en comprenant comment une termite contribue à la fabrication du nid, nous pourrions définir des règles simples pour concevoir des matériaux architecturés aux propriétés mécaniques uniques », explique Daraio. Les matériaux architecturés sont des solides de type mousse ou composites qui comprennent les blocs de construction qui sont ensuite organisés en structures 3D, de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique. Jusqu’à présent, le domaine des matériaux architecturés s’est principalement concentré sur les architectures périodiques – ces architectures contiennent une cellule unitaire à géométrie uniforme, comme un octaèdre ou un cube, puis ces cellules unitaires sont répétées pour former une structure en treillis. Cependant, se concentrer sur des structures ordonnées a limité les fonctionnalités et l’utilisation de matériaux architecturés.
« Les architectures périodiques sont pratiques pour nous, les ingénieurs, car nous pouvons faire des hypothèses dans l’analyse de leurs propriétés. Cependant, si nous pensons aux applications, elles ne constituent pas nécessairement le choix de conception optimal », explique Daraio. Les structures désordonnées, comme celle d’une termitière, sont plus répandues dans la nature que les structures périodiques et présentent souvent des fonctionnalités supérieures, mais, jusqu’à présent, les ingénieurs n’avaient pas trouvé de moyen fiable de les concevoir.
« Nous avons d’abord abordé le problème en pensant au nombre limité de ressources d’un termite », explique Daraio. Lorsqu’il construit son nid, un termite n’a pas de plan de la conception globale du nid; il ne peut prendre des décisions que sur la base des règles locales. Par exemple, un termite peut utiliser des grains de sable qu’il trouve près de son nid et assembler les grains en suivant des procédures apprises d’autres termites. Un grain de sable rond peut s’adapter à côté d’une forme en demi-lune pour une stabilité accrue. Ces règles de base de contiguïté peuvent être utilisées pour décrire comment construire une termitière. « Nous avons créé un programme numérique pour la conception de matériaux avec des règles similaires qui définissent comment deux blocs de matériaux différents peuvent adhérer l’un à l’autre », dit-elle.
Cet algorithme, que Daraio et son équipe surnomment le « programme de croissance virtuelle », simule la croissance naturelle de structures biologiques ou la fabrication de nids de termites. Au lieu d’un grain de sable ou d’un grain de poussière, le programme de croissance virtuelle utilise des géométries de matériaux uniques, ou des blocs de construction, ainsi que des directives de contiguïté sur la façon dont ces blocs de construction peuvent s’attacher les uns aux autres. Les blocs virtuels utilisés dans ce travail initial comprennent une forme en L, une forme en I, une forme en T et une forme +. De plus, la disponibilité de chaque bloc de construction se voit attribuer une limite définie, parallèlement aux ressources limitées qu’un termite peut rencontrer dans la nature. En utilisant ces contraintes, le programme construit une architecture sur une grille, puis ces architectures peuvent être traduites en modèles physiques 2D ou 3D.
« Notre objectif est de générer des géométries désordonnées avec des propriétés définies par l’espace combinatoire de certaines formes essentielles, comme une ligne droite, une croix ou une forme en ‘L’. Ces géométries peuvent ensuite être imprimées en 3D avec une variété de matériaux constitutifs différents selon sur les exigences des applications », explique Daraio.
Reflétant le caractère aléatoire d’une termitière, chaque géométrie créée par le programme de croissance virtuelle est unique. Changer la disponibilité des blocs de construction en forme de L, par exemple, se traduit par un nouvel ensemble de structures. Daraio et son équipe ont expérimenté les entrées virtuelles pour générer plus de 54 000 échantillons architecturés simulés ; les échantillons pourraient être regroupés en groupes avec différentes caractéristiques mécaniques qui pourraient déterminer la façon dont un matériau se déforme, sa rigidité ou sa densité. En représentant graphiquement la relation entre la disposition des blocs de construction, la disponibilité des ressources et les caractéristiques mécaniques résultantes, Daraio et son équipe peuvent analyser les règles sous-jacentes des structures désordonnées. Cela représente un cadre complètement nouveau pour l’analyse et l’ingénierie des matériaux.
« Nous voulons comprendre les règles fondamentales de la conception des matériaux pour ensuite créer des matériaux qui ont des performances supérieures à celles que nous utilisons actuellement en ingénierie », explique Daraio. « Par exemple, nous envisageons la création de matériaux plus légers mais aussi plus résistants à la rupture ou mieux absorbant les chocs mécaniques et les vibrations. »
Le programme de croissance virtuelle explore la frontière inexplorée des matériaux désordonnés en imitant la façon dont une termite construit son nid plutôt qu’en reproduisant la configuration du nid lui-même. « Cette recherche vise à contrôler le désordre dans les matériaux afin d’améliorer les propriétés mécaniques et autres propriétés fonctionnelles à l’aide d’outils de conception et d’analyse non exploités auparavant », explique Daraio.
Ke Liu et al, Règles de croissance pour les matériaux architecturés irréguliers avec des propriétés programmables, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn1459