Développée par les ingénieurs de l’Université du Wisconsin à Madison, une mousse légère et ultra-absorbante pourrait considérablement améliorer les casques conçus pour protéger les personnes contre les coups violents.
Le nouveau matériau présente une absorption d’énergie spécifique 18 fois plus élevée que la mousse actuellement utilisée dans les doublures de casques de combat militaires américains, ainsi qu’une résistance et une rigidité beaucoup plus grandes, ce qui pourrait lui permettre d’offrir une meilleure protection contre les chocs.
Les forces physiques d’un impact peuvent infliger un traumatisme au cerveau, provoquant une commotion cérébrale. Mais les matériaux de casque qui absorbent et dissipent mieux cette énergie cinétique avant qu’elle n’atteigne le cerveau pourraient aider à atténuer, voire à prévenir, les commotions cérébrales et autres lésions cérébrales traumatiques.
Le partenaire industriel des chercheurs, le fabricant de casques Team Wendy, expérimente le nouveau matériau dans un prototype de doublure de casque pour étudier ses performances dans des scénarios réels.
« Ce nouveau matériau recèle un énorme potentiel d’absorption d’énergie et donc d’atténuation des impacts, ce qui devrait à son tour réduire considérablement la probabilité de lésions cérébrales », déclare Ramathasan Thevamaran, professeur d’ingénierie physique à l’UW-Madison qui a dirigé la recherche.
L’équipe a détaillé son avancée dans un étude publiée récemment dans la revue Lettres mécaniques extrêmes.
Le nouveau matériau est une mousse de nanotubes de carbone architecturée et alignée verticalement. Pour le créer, les chercheurs ont commencé avec des nanotubes de carbone – des cylindres de carbone d’un seul atome d’épaisseur dans chaque couche – comme éléments de base.
Les nanotubes de carbone ont déjà des propriétés mécaniques exceptionnelles, et pour améliorer encore leurs performances, les chercheurs ont conçu un matériau avec des caractéristiques structurelles uniques sur plusieurs échelles de longueur. La nouvelle architecture du matériau consiste en de nombreuses structures cylindriques à l’échelle micrométrique, chacune constituée de nombreux nanotubes de carbone.
Découvrir les paramètres de conception optimaux ultimes de la nouvelle mousse, tels que l’épaisseur des cylindres, leur diamètre intérieur et l’espace entre les cylindres adjacents, n’était pas une mince tâche. Les chercheurs ont systématiquement mené des expériences où ils ont fait varier chaque paramètre et étudié toutes les combinaisons possibles.
« Nous avons donc pris quelques épaisseurs différentes, puis nous les avons testées avec chaque taille de diamètre et chaque espace possible, et ainsi de suite », explique Thevamaran. « Au total, nous avons examiné 60 combinaisons différentes et effectué trois tests sur chaque échantillon, donc 180 expériences ont été incluses dans cette étude. »
Ils ont découvert un gagnant clair. Des cylindres d’une épaisseur de 10 micromètres ou moins, disposés à proximité les uns des autres, ont produit une mousse avec les meilleures propriétés d’absorption des chocs.
« Je m’attendais à ce que les propriétés globales s’améliorent grâce à notre architecture interactive, mais j’ai été surpris de voir à quel point les propriétés étaient améliorées lorsque les cylindres avaient une épaisseur de 10 micromètres », déclare Thevamaran. « Cela était dû à un effet de taille inhabituel qui est apparu dans les relations processus-structure-propriété. L’effet était très prononcé et s’est avéré très avantageux pour les propriétés que nous ciblions. »
De plus, le nouveau matériau peut rester solidement absorbant les chocs à des températures très élevées et très basses grâce à ses blocs de construction en nanotubes de carbone, ce qui le rend utile pour des applications dans une large gamme d’environnements extrêmes.
Les chercheurs, dont Komal Chawla, associé de recherche postdoctoral UW-Madison, et les étudiants diplômés Abhishek Gupta et Abhijeet S. Bhardwaj, font breveter leur innovation par le biais de la Wisconsin Alumni Research Foundation. La collaboration université-industrie faisait partie du programme PANTHER dirigé par UW¬-Madison, une initiative de recherche interdisciplinaire qui développe des solutions pour permettre une meilleure détection et prévention des lésions cérébrales traumatiques.
Plus d’information:
Komal Chawla et al, Propriétés mécaniques supérieures en exploitant les effets de taille et les interactions multi-échelles dans les mousses à architecture hiérarchique, Lettres mécaniques extrêmes (2022). DOI : 10.1016/j.eml.2022.101899