Les coquilles des organismes marins subissent les coups des impacts dus aux tempêtes et aux marées, côtes rocheuses, et les prédateurs aux dents acérées. Mais comme des recherches récentes l'ont démontré, un type de coquillage se distingue de tous les autres par sa ténacité :la conque.

Maintenant, des chercheurs du MIT ont exploré les secrets de l'extraordinaire résistance aux chocs de ces obus. Et ils ont montré que cette résistance supérieure pouvait être reproduite dans des matériaux d'ingénierie, potentiellement pour fournir les meilleurs casques protecteurs et gilets pare-balles.

Les résultats sont rapportés dans le journal Matériaux avancés , dans un article de Grace Gu, étudiante diplômée du MIT, post-doctorant Mahdi Takaffoli, et le professeur d'ingénierie McAfee Markus Buehler.

Les conques "ont cette architecture vraiment unique, " explique Gu. La structure rend le matériau 10 fois plus résistant que la nacre, communément appelée nacre. Cette ténacité, ou résistance aux fractures, provient d'une configuration unique basée sur trois niveaux de hiérarchie différents dans la structure interne du matériau.

La structure à trois niveaux rend très difficile la propagation et l'agrandissement des petites fissures, dit Gu. Le matériau a une "matrice en zigzag, donc la fissure doit passer par une sorte de labyrinthe" pour s'étendre, elle dit.

Jusque récemment, même après que la structure de la conque ait été comprise, "vous ne pouviez pas le reproduire aussi bien. Mais maintenant, notre laboratoire a développé une technologie d'impression 3D qui nous permet de dupliquer cette structure et de pouvoir la tester, " dit Buehler, qui est le chef du Département de génie civil et environnemental.

Une partie de l'innovation impliquée dans ce projet était la capacité de l'équipe à à la fois simuler le comportement du matériau et analyser ses performances réelles dans des conditions réalistes. "Autrefois, beaucoup de tests [de matériaux de protection] étaient des tests statiques, " explique Gu. " Mais beaucoup d'applications à des fins militaires ou sportives impliquent un chargement très dynamique, " qui nécessite un examen détaillé de la façon dont les effets d'un impact s'étalent dans le temps.

Pour ce travail, les chercheurs ont effectué des tests dans une tour de chute qui leur ont permis d'observer exactement comment les fissures sont apparues et se sont propagées - ou ne se sont pas propagées - dans les premiers instants après un impact. "Il y avait un accord incroyable entre le modèle et les expériences, " dit Buehler.

C'est en partie parce que l'équipe a pu imprimer en 3D des matériaux composites avec des structures contrôlées avec précision, plutôt que d'utiliser des échantillons de vrais coquillages, qui peuvent avoir des variations imprévisibles qui peuvent compliquer l'analyse. En imprimant les échantillons, « nous pouvons utiliser exactement la même géométrie » que celle utilisée dans les simulations informatiques, "et nous obtenons un très bon accord." Maintenant, en poursuivant le travail, ils peuvent se concentrer sur de légères variations "comme base pour une optimisation future, " dit Buehler.

Pour tester l'importance relative des trois niveaux de structure, l'équipe a essayé de faire des variations du matériel avec différents niveaux de hiérarchie. Des niveaux de hiérarchie plus élevés sont introduits en incorporant des caractéristiques à plus petite échelle de longueur dans le composite, comme dans une véritable conque. Assez sur, les structures de niveau inférieur se sont avérées significativement plus faibles que le niveau le plus élevé recherché dans cette étude, qui consistait en les caractéristiques lamellaires croisées inhérentes aux conques naturelles.

Les tests ont prouvé que la géométrie avec la conque, les caractéristiques entrecroisées étaient 85 % meilleures pour empêcher la propagation des fissures que le matériau de base le plus résistant, et 70 pour cent de mieux qu'un arrangement composite de fibres traditionnel, dit Gu.

Les casques de protection et autres équipements résistants aux chocs nécessitent une combinaison clé de résistance et de ténacité, Buehler explique. La force fait référence à la capacité d'un matériau à résister aux dommages, quel acier fait bien, par exemple. Dureté, d'autre part, fait référence à la capacité d'un matériau à dissiper de l'énergie, comme le fait le caoutchouc. Les casques traditionnels utilisent une coque en métal pour la résistance et une doublure flexible pour le confort et la dissipation d'énergie. Mais dans le nouveau matériau composite, cette combinaison de qualités est répartie dans l'ensemble du matériau.

"Cela a de la rigidité, comme le verre ou la céramique, " Buehler dit, mais il manque la fragilité de ces matériaux, grâce à l'intégration de matériaux avec différents degrés de résistance et de flexibilité au sein de la structure composite. Comme le contreplaqué, le composite est constitué de couches dont le "grain, " ou l'alignement interne de ses matériaux, est orienté différemment d'une couche à l'autre.

En raison de l'utilisation de la technologie d'impression 3D, ce système permettrait de réaliser des casques individualisés ou autres gilets pare-balles. Chaque casque, par exemple, pourrait être « sur mesure et personnalisé ; l'ordinateur l'optimiserait pour vous, sur la base d'un scan de votre crâne, et le casque serait imprimé juste pour vous, " dit Gu.

La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche navale, une bourse d'études supérieures en sciences et en génie de la Défense nationale, le Programme d'instrumentation de recherche de l'Université de la Défense (DURIP), l'Institut des nanotechnologies du soldat (ISN), et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.