La nature crée des matériaux en couches comme l’os et la nacre qui deviennent moins sensibles aux défauts à mesure qu’ils grandissent. Aujourd’hui, les chercheurs ont créé, à l’aide de protéines biomimétiques modelées sur des dents annulaires de calmar, des matériaux composites en couches 2D résistants à la rupture et extrêmement extensibles.
« Les chercheurs ont rarement signalé cette propriété d’interface pour l’os et la nacre car elle était difficile à mesurer expérimentalement », a déclaré Melik Demirel, titulaire de la chaire Lloyd et Dorothy Foehr Huck en matériaux biomimétiques et directeur du Center for Advanced Fiber Technologies, Penn State.
Les matériaux composites 2D sont constitués de couches atomiques d’un matériau dur, comme le graphène ou un MXène – généralement un carbure, un nitrure ou un carbonitrure de métal de transition – séparées par des couches de quelque chose pour coller les couches ensemble. Alors que de gros morceaux de graphène ou de MXènes ont des propriétés en vrac, la force des composites 2D provient des propriétés interfaciales.
« Parce que nous utilisons un matériau d’interface que nous pouvons modifier en répétant des séquences, nous pouvons affiner les propriétés », a déclaré Demirel. « Nous pouvons le rendre très flexible et très solide en même temps. »
En utilisant des protéines biomimétiques modelées sur les dents de l’anneau de calmar, les chercheurs ont créé des matériaux composites en couches 2D résistants à la rupture et extrêmement extensibles. Crédit : Burcu Dursun, Penn State
Il a noté que les matériaux peuvent également avoir des régimes ou des propriétés de conduction thermique uniques, diffusant la chaleur dans une direction plus fortement qu’à 90 degrés. Les résultats de ces travaux ont été publiés aujourd’hui (25 juillet) dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Ce matériau serait idéal pour les semelles intérieures des chaussures de course », a déclaré Demirel. « Cela pourrait refroidir le pied et les flexions répétées ne briseraient pas la semelle. »
Ces composites 2D pourraient être utilisés pour les circuits imprimés flexibles, les appareils portables et d’autres équipements nécessitant résistance et flexibilité.
Selon Demirel, la théorie traditionnelle du continuum n’explique pas pourquoi ces matériaux sont à la fois solides et flexibles, mais les simulations ont démontré que l’interface est importante. Ce qui se passe apparemment, c’est qu’avec un pourcentage plus élevé de matériau composé de l’interface, l’interface se brise par endroits lorsque le matériau est sous contrainte, mais le matériau dans son ensemble ne se brise pas.
« L’interface casse, mais pas le matériau », a déclaré Demirel. « Nous nous attendions à ce qu’ils deviennent conformes, mais tout d’un coup, ce n’est pas seulement conforme, mais super extensible. »
D’autres personnes travaillant sur ce projet sous forme de Penn State étaient Mert Vural, boursier postdoctoral; Tarek Mazeed, stagiaire postdoctoral; Oguzhan Colak, étudiant diplômé; et Reginald F. Hamilton, professeur agrégé en sciences de l’ingénieur et mécanique.
Dong Li et Huajian Gao, professeur de génie mécanique et aérospatial, tous deux à l’Université technologique de Nanyang à Singapour, travaillaient également sur cette recherche.
Composites moléculaires extensibles bioinspirés de matériaux en couches 2D et de protéines répétées en tandem, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2120021119.