Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice se tournent vers la nature :les disques des épines humaines et la peau des poissons plongés dans l'océan, par exemple, pour obtenir des indices sur la conception de matériaux aux propriétés apparemment contradictoires, la flexibilité et la rigidité.

Dans les recherches publiées en ligne dans la revue Interfaces de matériaux avancées , étudiant diplômé Peter Owuor, le chercheur Chandra Sekhar Tiwary et ses collègues des laboratoires du professeur Rice Pulickel Ajayan et Jun Lou ont découvert qu'ils pouvaient augmenter la rigidité, ou "module d'élasticité, " d'un polymère mou à base de silicium en lui infusant de minuscules poches de gallium liquide.

De tels composites pourraient trouver une utilisation dans des matériaux d'absorption d'énergie et des amortisseurs à haute énergie et dans des structures biomimétiques comme les disques intervertébraux artificiels, ils ont dit.

Owuor a déclaré que la sagesse conventionnelle dans la conception des composites au cours des 60 dernières années était que l'ajout d'une substance plus dure augmente le module et que l'ajout d'une substance plus douce diminue le module. Dans la plupart des instances, c'est correct.

"Les gens ne l'avaient pas vraiment regardé à l'envers, " at-il dit. " Est-il possible d'ajouter quelque chose de doux à l'intérieur de quelque chose d'autre qui est également doux et d'obtenir quelque chose qui a un module plus élevé ? Si vous regardez le monde naturel, il y a beaucoup d'exemples où vous trouvez exactement cela. En tant que scientifiques des matériaux, nous voulions étudier cela, pas d'un point de vue biologique mais plutôt d'un point de vue mécanique."

Par exemple, les disques entre les vertèbres des épines humaines, qui agissent à la fois comme des amortisseurs et des ligaments, sont constitués d'une couche externe dure de cartilage et d'un doux, intérieur gélatineux. Et la peau externe des poissons et mammifères océaniques en plongée profonde contient une myriade de minuscules chambres remplies d'huile - certaines pas plus grandes qu'un virus et d'autres plus grandes que des cellules entières - qui permettent aux animaux de résister aux pressions intenses qui existent à des milliers de pieds sous l'océan. surface.

Le choix des matériaux de base pour modéliser ces systèmes vivants était relativement facile, mais trouver un moyen de les réunir pour imiter la nature s'est avéré difficile, dit Tiwary, un associé de recherche postdoctoral au Département de science des matériaux et de nano-ingénierie de Rice.

Polydiméthylsiloxane, ou PDMS, a été choisi comme couche d'encapsulation souple pour un certain nombre de raisons :c'est bon marché, inerte, non toxique et largement utilisé dans tout, des produits de calfeutrage et d'étanchéité pour aquarium aux cosmétiques et aux additifs alimentaires. Il sèche aussi clair, ce qui permettait de voir facilement les bulles de liquide que l'équipe voulait encapsuler. Pour ça, les chercheurs ont choisi le gallium, qui comme le mercure est liquide à température ambiante, mais contrairement au mercure, il est non toxique et relativement facile à travailler.

Owuor a déclaré qu'il avait fallu près de quatre mois pour trouver une recette pour encapsuler des bulles de gallium à l'intérieur du PDMS. Ses échantillons de test ont à peu près le diamètre d'une petite pièce de monnaie et jusqu'à un quart de pouce d'épaisseur. En durcissant lentement le PDMS, Owuor a développé un procédé par lequel il pouvait ajouter des gouttelettes de gallium de différentes tailles. Certains échantillons contenaient une grande chambre intérieure, et d'autres contenaient jusqu'à une douzaine de gouttelettes discrètes.

Chaque échantillon a été soumis à des dizaines de tests. Un instrument d'analyse mécanique dynamique a été utilisé pour mesurer à quel point le matériau s'est déformé sous charge, et diverses mesures comme la rigidité, la ténacité et l'élasticité ont été mesurées dans diverses conditions. Par exemple, avec une quantité relativement faible de refroidissement, le gallium peut être transformé en un solide. Ainsi, l'équipe a pu comparer certaines mesures prises lorsque les sphères de gallium étaient liquides avec des mesures prises lorsque les sphères étaient solides.

Les collaborateurs Roy Mahapatra et Shashishekarayya Hiremath de l'Institut indien des sciences de Bangalore ont utilisé la modélisation par éléments finis et les simulations hydrodynamiques pour aider l'équipe à analyser le comportement des matériaux sous contrainte mécanique. Basé sur ceci, les chercheurs ont déterminé que les poches de gallium liquide donnaient au composite des caractéristiques d'absorption et de dissipation d'énergie supérieures à celles du PDMS ordinaire ou du PDMS avec des poches remplies d'air.

"Ce que nous avons montré, c'est que mettre du liquide dans un solide ne va pas toujours le rendre plus doux, et grâce à nos collaborateurs nous sommes en mesure d'expliquer pourquoi c'est le cas, " a déclaré Tiwary. " Ensuite, nous espérons utiliser cette compréhension pour essayer de concevoir des matériaux pour tirer parti de ces propriétés. "

Owuor et Tiwary ont déclaré que le simple fait d'utiliser la nano-ingénierie peut ne pas fournir un effet maximal. Au lieu, la nature utilise des structures hiérarchiques avec des caractéristiques de tailles variables qui se répètent à plus grande échelle, comme ceux trouvés dans les chambres remplies d'huile dans la peau de poisson.

"Si vous regardez la membrane (du poisson) et que vous la coupez, il y a une couche où tu as des sphères de gros diamètres, et pendant que tu bouges, les diamètres ne cessent de diminuer, " dit Owuor. " Les chambres sont vues sur toute l'échelle, de la nano à la micro-échelle.

Tiwary a dit, "Il y a des caractéristiques nanométriques importantes dans la nature, mais tout n'est pas nano. Nous pouvons constater que l'ingénierie à l'échelle nanométrique ne suffit pas. Nous voulons voir si nous pouvons commencer à concevoir de manière hiérarchique."