Des films minces (à gauche) et épais constitués de nanoparticules poreuses de calcium et de silicate ont réagi différemment sous pression, comme testé dans un laboratoire de l'Université Rice. Les particules dans les films minces se sont déplacées pour un nanoindenteur et ont permis au film de rester intact, tandis que les films épais se fissurent. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
Les particules poreuses de calcium et de silicate présentent un potentiel en tant que blocs de construction pour une multitude d'applications telles que les matériaux auto-cicatrisants, ingénierie du tissu osseux, l'administration de médicaments, isolation, céramiques et matériaux de construction, selon les ingénieurs de l'Université Rice qui ont décidé de voir leurs performances à l'échelle nanométrique.
Suite à des travaux antérieurs sur les matériaux auto-cicatrisants utilisant des briques poreuses, Le scientifique des matériaux du riz Rouzbeh Shahsavari et l'étudiant diplômé Sung Hoon Hwang ont fabriqué une large gamme de particules poreuses entre 150 et 550 nanomètres de diamètre, des milliers de fois plus petites que l'épaisseur d'une feuille de papier, avec des pores de la largeur d'un brin d'ADN.
Ils ont ensuite assemblé les particules en feuilles et pastilles de la taille d'un micron pour voir à quel point les réseaux résistaient à la pression d'un nanoindenteur, qui teste la dureté d'un matériau.
Les résultats de plus de 900 tests, rapporté ce mois-ci dans l'American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS , ont montré que les nanoparticules individuelles plus grosses étaient 120% plus résistantes que les plus petites.
Cette, Shahsavari a dit, était une preuve claire d'un effet de taille intrinsèque où les particules entre 300 et 500 nanomètres sont passées de cassantes à ductiles, ou souple, même s'ils avaient tous les mêmes petits pores de 2 à 4 nanomètres. Mais ils ont été surpris de découvrir que lorsque les mêmes grosses particules étaient empilées, l'effet de taille ne s'est pas entièrement répercuté sur les plus grandes structures.
Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice ont testé des structures faites de nanoparticules de silicate de calcium et ont découvert que les particules passent de cassantes à ductiles à mesure qu'elles augmentent en taille. La particule unique comprimée à gauche s'est déformée sous la pression d'un nanoindenteur. Au centre et à droite, les grosses particules ne se fissurent pas sous pression. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
Les principes révélés devraient être importants pour les scientifiques et les ingénieurs qui étudient les nanoparticules comme éléments constitutifs de toutes sortes de fabrication ascendante.
"Avec des blocs de construction poreux, contrôler le lien entre la porosité, la taille des particules et les propriétés mécaniques sont essentielles à l'intégrité du système pour toute application, " dit Shahsavari. " Dans ce travail, nous avons constaté qu'il y a une transition cassante à ductile lors de l'augmentation de la taille des particules tout en maintenant la taille des pores constante.
« Cela signifie que les particules de silicate de calcium submicroniques plus grosses sont plus résistantes et plus flexibles que les plus petites, les rendant plus tolérants aux dommages, " il a dit.
Le laboratoire a testé des matrices auto-assemblées de minuscules sphères ainsi que des matrices compactées sous l'équivalent de 5 tonnes à l'intérieur d'une presse cylindrique.
Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice ont synthétisé sphérique, nanoparticules poreuses de calcium et de silicate, ont formé des films et des pastilles et testé leur ténacité sous pression à partir d'un nanoindenteur. Ils ont découvert que les films constitués de particules plus grosses approchant 500 nanomètres étaient beaucoup plus résistants et les films et les pastilles moins susceptibles de se fissurer sous pression. A droite, les petites particules sont déformées après nanoindentation. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
Quatre tailles de sphères ont été autorisées à s'auto-assembler en films. Lorsque ceux-ci ont été soumis à la nanoindentation, les chercheurs ont découvert que l'effet de taille intrinsèque disparaissait en grande partie car les films présentaient une rigidité variable. Où c'était mince, les particules faiblement liées laissaient simplement la place au pénétrateur pour s'enfoncer dans le substrat de verre. Où c'était épais, le film s'est fissuré.
"Nous avons observé que la rigidité augmente en fonction des forces d'indentation appliquées car lorsque la force maximale augmente, elle conduit à une plus grande densification des particules sous charge, " a déclaré Shahsavari. " Au moment où le pic de charge est atteint, les particules sont assez denses et commencent à se comporter collectivement comme un seul film."
Des pastilles constituées de nanosphères compactées de différents diamètres se sont déformées sous la pression du nanoindenteur mais n'ont montré aucun signe de durcissement sous pression, ils ont rapporté.
« Comme prochaine étape, nous nous intéressons à la fabrication de superstructures auto-assemblées avec une taille de particule réglable qui permettent de mieux activer leurs fonctionnalités prévues, comme le chargement et le déchargement avec des mastics sensibles aux stimuli, tout en offrant la meilleure intégrité mécanique, " a déclaré Shahsavari.
