Rendus de la façon dont la contrainte est répartie sur un support en forme de L entièrement constitué d'un polymère rigide (à gauche) par rapport à un support comportant à la fois des polymères rigides et flexibles (à droite). Crédit :Université du Nebraska-Lincoln
La combinaison de matériaux flexibles et rigides a conféré au bambou un rapport résistance/poids qui rivalise avec l'acier. La transition progressive d'une substance molle à dure permet au calmar spongieux de trancher ses proies avec des becs en forme de ciseaux.
Avec l'aide d'un nouveau modèle co-développé à l'Université du Nebraska-Lincoln, ces deux principes affinés par l'évolution pourraient éventuellement permettre aux ingénieurs de doubler ou de tripler la résistance des composants à base de polymère.
La sélection naturelle a souvent favorisé l'intégration de matériaux flexibles et rigides car ils peuvent mieux fonctionner ensemble - résistant à des forces plus importantes, supportant des charges plus lourdes - qu'ils ne le font seuls. Ces avantages apparaissent surtout lorsque les matériaux peuvent occuper le même espace, comme ils le font dans les réseaux polymères interpénétrés :deux ou plusieurs ensembles de réseaux à l'échelle moléculaire qui se tissent les uns aux autres sans se connecter réellement.
Mais tirer le meilleur parti de ces réseaux, c'est aussi faire varier le ratio hard/soft dans l'espace, créer un dégradé. Alors qu'un ratio de 70-30 peut mieux fonctionner dans un seul endroit, 50-50 ou 30-70 pourraient être l'idéal dans un autre.
Alors le Nebraska, Des chercheurs français et chinois ont affiné un modèle capable de cartographier un gradient optimal sur une structure tout en calculant dans quelle mesure ce gradient améliore les performances de la structure.
"Normalement, quand tu mélanges les choses, ils se séparent, " a déclaré le co-créateur du modèle Mehrdad Negahban, professeur de génie mécanique et des matériaux au Nebraska. "Vous pouvez le voir comme une île d'un matériau et un océan d'un autre matériau.
"L'île et cet océan ont une frontière, et cela s'avère être le point le plus faible d'un matériau. Ainsi, deux matériaux échoueront essentiellement… là où ils sont connectés. Mais si vous les interpénétrez, vous n'avez pas ces limites faibles."
Un rendu du dégradé époxy-acrylate idéal dans un support en L, de 100 % époxy (rouge foncé) à 55 % (bleu foncé). Crédit :Matériaux et Design / Mehrdad Negahban
L'équipe a démontré son modèle en analysant la résistance à la traction - essentiellement une résistance à l'écartement - d'une plaque avec un petit trou en son centre. Les chercheurs ont d'abord mesuré la résistance d'une plaque faite uniquement d'époxy, un polymère rigide mieux connu sous le nom d'adhésif. Lorsque leur modèle a optimisé un gradient d'époxy interpénétré avec de l'acrylate - un plus faible, polymère plus flexible - ils ont constaté que la résistance à la traction de la plaque a presque triplé. De même, un support en forme de L a vu sa résistance à la traction doubler après que le modèle ait tracé son gradient époxy-acrylate optimal.
"On change le mélange, mais le poids total est approximativement le même, " a dit Negahban. " Juste en mettant les bonnes choses au bon endroit, nous pouvons le faire fonctionner soudainement beaucoup, bien mieux, c'est-à-dire il fonctionne nettement mieux que le composant le plus puissant.
"Cela peut aller dans les deux sens. Vous pouvez l'utiliser pour réduire le poids ou augmenter la capacité de charge."
A un niveau fondamental, le modèle de l'équipe fonctionne en superposant une structure avec une grille de plusieurs centaines de nœuds. Il attribue ensuite un rapport de matériaux donnés à chaque nœud de la grille, calculer comment le gradient résultant affecte la résistance globale de la structure.
"Il le fera des millions de fois jusqu'à ce qu'il trouve la (permutation) qui peut supporter la charge la plus élevée, " a déclaré Negahban.
A partir de maintenant, Negahban a dit, les réseaux polymères interpénétrés sont difficiles à fabriquer réellement. L'émergence de l'impression 3D a laissé entrevoir une approche potentielle pour la construction de composants à partir des réseaux, bien qu'il reste du travail avant que les ingénieurs puissent facilement entrelacer des polymères à l'échelle moléculaire.
Mais Negahban a déclaré que ce n'était probablement qu'une question de temps avant qu'une technique n'émerge pour tirer pleinement parti du modèle que lui et ses collègues ont proposé.
« Les gens ont des idées différentes sur la façon de (les incorporer), " dit-il. " Je pense que ça va arriver. "
Negahban et ses collègues ont détaillé leur modèle dans le journal Matériaux et conception .
