Dans le cadre de la dernière avancée en matière de matériaux nano et micro-architecturés, les ingénieurs de Caltech ont développé un nouveau matériau composé de nombreux nœuds microscopiques interconnectés.
Les nœuds rendent le matériau beaucoup plus résistant que les matériaux de structure identique mais non noués : ils absorbent plus d’énergie et sont capables de se déformer davantage tout en étant capables de reprendre leur forme d’origine sans être endommagés. Ces nouveaux matériaux noués peuvent trouver des applications en biomédecine ainsi que dans les applications aérospatiales en raison de leur durabilité, de leur biocompatibilité possible et de leur extrême déformabilité.
« La capacité de surmonter le compromis général entre la déformabilité du matériau et la ténacité à la traction [the ability to be stretched without breaking] offre de nouvelles façons de concevoir des dispositifs extrêmement flexibles, durables et pouvant fonctionner dans des conditions extrêmes », déclare Widianto P. Moestopo, ancien étudiant diplômé de Caltech, maintenant au Lawrence Livermore National Laboratory. Moestopo est l’auteur principal d’un article sur les nœuds à l’échelle nanométrique. publié le 8 mars dans Avancées scientifiques.
Moestopo a aidé à développer le matériau dans le laboratoire de Julia R. Greer, professeur Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, de mécanique et de génie médical ; Fletcher Jones Foundation directeur du Kavli Nanoscience Institute ; et auteur principal de l’article. Greer est à la pointe de la création de tels matériaux nano-architecturés, c’est-à-dire des matériaux dont la structure est conçue et organisée à l’échelle du nanomètre et qui présentent par conséquent des propriétés inhabituelles, souvent surprenantes.
La résistance à la traction d’un matériau construit avec des nœuds à l’échelle microscopique (à gauche), comparée à celle d’un matériau dépourvu de nœuds mais structurellement identique (à droite). 1 crédit
« Se lancer dans la compréhension de la manière dont les nœuds affecteraient la réponse mécanique des matériaux micro-architecturés était une nouvelle idée prête à l’emploi », déclare Greer. « Nous avions fait des recherches approfondies sur l’étude de la déformation mécanique de nombreux autres types de micro-textiles, par exemple, les treillis et les matériaux tissés. S’aventurer dans le monde des nœuds nous a permis de mieux comprendre le rôle du frottement et de la dissipation d’énergie, et s’est avéré significatif. »
Chaque nœud mesure environ 70 micromètres de hauteur et de largeur, et chaque fibre a un rayon d’environ 1,7 micromètre (environ un centième du rayon d’un cheveu humain). Bien qu’il ne s’agisse pas des plus petits nœuds jamais réalisés – en 2017, des chimistes ont noué un nœud composé d’un brin individuel d’atomes – cela représente la première fois qu’un matériau composé de nombreux nœuds à cette échelle est créé. En outre, cela démontre la valeur potentielle de l’inclusion de ces nœuds à l’échelle nanométrique dans un matériau, par exemple pour suturer ou attacher en biomédecine.
Les matériaux noués, qui ont été créés à partir de polymères, présentent une résistance à la traction qui dépasse de loin les matériaux non noués mais structurellement identiques, y compris ceux où les brins individuels sont entrelacés au lieu d’être noués. Par rapport à leurs homologues non noués, les matériaux noués absorbent 92 % d’énergie en plus et nécessitent plus de deux fois plus de tension pour se casser lorsqu’ils sont tirés.
Les nœuds n’étaient pas noués mais plutôt fabriqués à l’état noué en utilisant une lithographie 3D avancée à haute résolution capable de produire des structures à l’échelle nanométrique. Les échantillons détaillés dans le Avancées scientifiquesle papier contient des nœuds simples – un nœud plat avec une torsion supplémentaire qui fournit une friction supplémentaire pour absorber de l’énergie supplémentaire pendant que le matériau est étiré. À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer des matériaux construits à partir de nœuds plus complexes.
L’intérêt de Moestopo pour les nœuds est né des recherches qu’il menait en 2020 pendant les fermetures du COVID-19. « Je suis tombé sur des travaux de chercheurs qui étudient la mécanique des nœuds physiques par opposition aux nœuds au sens purement mathématique. Je ne me considère pas comme un grimpeur, un marin ou un mathématicien, mais j’ai noué des nœuds tout au long de ma vie, alors j’ai pensé que ça valait la peine d’essayer d’insérer des nœuds dans mes créations », dit-il.
L’article a un titre ironique – « Les nœuds ne sont pas pour rien : conception, propriétés et topologie des matériaux microarchitecturés entrelacés hiérarchiques. » Recherche navale.
Plus d’information:
Widianto P. Moestopo et al, Les nœuds ne sont pas pour rien : conception, propriétés et topologie de matériaux microarchitecturés entrelacés hiérarchiques, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.ade6725