Un professeur d'ingénierie physique à l'Université du Wisconsin-Madison a créé de nouveaux matériaux qui se comportent d'une manière inhabituelle qui défie la théorie standard utilisée par les ingénieurs pour concevoir des choses comme des bâtiments, avions, ponts et appareils électroniques.

C'est une avancée qui pourrait ouvrir la porte à la conception de nouveaux matériaux pour des applications nécessitant une ténacité élevée, par exemple, ailes d'avion plus résistantes à la rupture.

La théorie classique de l'élasticité fonctionne bien pour prédire le comportement de la plupart des matériaux ordinaires, y compris l'acier, aluminium et béton, et s'assurer que les structures peuvent résister aux forces mécaniques sans se casser ou se déformer trop. Mais pour certains matériaux, la théorie est limitative.

Roderic Lakes et l'étudiant diplômé Zachariah Rueger ont utilisé l'impression 3D pour fabriquer leurs nouveaux matériaux en treillis polymère. Leur conception - le motif dans lequel les bandes de polymère des matériaux sont disposées - est une structure entrecroisée répétitive. Quand il est tordu ou plié, une barre de ce réseau polymère est environ 30 fois plus rigide que ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base de la théorie classique de l'élasticité.

Les chercheurs du Wisconsin ont décrit leurs nouveaux matériaux en treillis dans le journal Lettres d'examen physique le 8 février, 2018.

Effectuer des mesures en laboratoire, Lakes a déterminé que le comportement des matériaux était cohérent avec l'élasticité de Cosserat, une théorie plus descriptive de l'élasticité qui prend en considération la taille de la structure sous-jacente dans un matériau.

"Lorsque vous avez un matériau avec une sous-structure, comme certaines mousses, treillis et matériaux renforcés de fibres, il y a plus de liberté que la théorie classique de l'élasticité ne peut en gérer, " dit Lakes. "Nous étudions donc la liberté des matériaux de se comporter d'une manière non prévue par la théorie standard."

Cette liberté accrue offre une voie potentielle pour créer de nouveaux matériaux immunisés contre la concentration de stress; en d'autres termes, matériaux avec une ténacité améliorée. De tels matériaux seraient utiles pour une variété d'applications, notamment en rendant les ailes d'avion plus résistantes aux fissures.

Si une fissure se forme dans une aile d'avion, la contrainte est concentrée autour de la fissure, affaiblissant l'aile. "Il faut un certain stress pour casser quelque chose, mais s'il y a une fissure dedans, vous pouvez le casser avec moins de stress, " dit Lacs.

L'utilisation de la théorie de l'élasticité de Cosserat pour éclairer la conception des matériaux produira des matériaux plus résistants dans lesquels les contraintes sont réparties différemment dans les matériaux, selon les lacs.

Ces mêmes effets sont présents dans des matériaux tels que l'os et certains types de mousses. Cependant, quand les ingénieurs fabriquent de la mousse pour un coussin de siège, par exemple, ils n'ont pas beaucoup de contrôle sur la sous-structure de la mousse, les minuscules bulles qui se forment et composent les cellules à l'intérieur de la mousse. Par conséquent, ils ont une capacité limitée à adapter les effets Cosserat.

Contrairement à la mousse, les chercheurs de l'UW-Madison peuvent ajuster les effets Cosserat dans leurs matériaux en treillis et les rendre très forts.

"Nous avons développé un matériau dans lequel nous avons un contrôle exceptionnellement détaillé sur la structure fine de notre treillis, et cela nous a permis d'obtenir des effets très forts lors du pliage et de la torsion du matériau, " dit Lacs.