La crevette mante conquiert sa proie avec un appendice "dactyle club", qui est composé d'un matériau composite qui devient plus dur à mesure que les fissures se tordent. Crédit :Image de l'Université Purdue/Pablo Zavattieri
Les matériaux super-résilients trouvés dans le règne animal doivent leur résistance et leur ténacité à une stratégie de conception qui fait que les fissures suivent le motif de torsion des fibres, prévenir une défaillance catastrophique.
Les chercheurs dans une récente série d'articles ont documenté ce comportement avec précision et créent également de nouveaux matériaux composites modelés d'après le phénomène. Le travail a été effectué par une équipe de chercheurs de l'Université Purdue en collaboration avec l'Université de Californie, Bord de rivière.
Les chercheurs ont étudié la force surnaturelle d'un matériau composite dans une créature marine appelée crevette mante, qui utilise un appendice résistant aux chocs pour frapper sa proie dans la soumission.
"Toutefois, nous voyons ce même genre de stratégie de conception pas seulement dans la crevette mante, mais aussi chez de nombreux animaux, " a déclaré Pablo Zavattieri, professeur à la Lyles School of Civil Engineering de Purdue. "Les coléoptères l'utilisent dans leurs coquilles, par exemple, et nous le voyons aussi dans les écailles de poisson, homards et crabes.
Ce qui distingue la crevette mante, c'est qu'elle peut réellement écraser et vaincre ses proies blindées (principalement des mollusques et autres crabes), qui sont également connus pour leur tolérance aux dommages et leurs excellentes propriétés mécaniques. La crevette mante les conquiert avec son "dactyl club, " un appendice qui déclenche un barrage d'impacts féroces avec la vitesse d'une balle de calibre .22.
De nouvelles découvertes montrent que le matériau composite du club devient en fait plus résistant lorsqu'une fissure essaie de se tordre, stoppant en fait sa progression. Cette torsion de fissure est guidée par les fibres de chitine du matériau, la même substance que l'on retrouve dans de nombreux carapaces de crustacés marins et exosquelettes d'insectes, disposés dans une architecture hélicoïdale qui ressemble à un escalier en colimaçon.
"Ce mécanisme n'a jamais été étudié en détail auparavant, " a déclaré Zavattieri. " Ce que nous constatons, c'est qu'à mesure qu'une fissure se tord, la force motrice pour se développer diminue progressivement, favoriser la formation d'autres mécanismes similaires, qui empêchent le matériau de se désagréger catastrophiquement. Je pense que nous pouvons enfin expliquer pourquoi le matériau est si dur."
Deux articles ont été publiés dans le Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials et l'International Journal of Solids and Structures. Les articles ont été co-écrits par le doctorant de Purdue, Nobphadon Suksangpanya; le doctorant de l'UC Riverside Nicholas A. Yaraghi; David Kisaïlus, un professeur de l'UC Riverside en génie chimique et environnemental et en science et ingénierie des matériaux; et Zavattieri.
"Cette nouvelle analyse passionnante, travaux informatiques et expérimentaux, qui fait suite à notre caractérisation biocomposite initiale de l'hélicoïde dans le club de la crevette-mante et à nos travaux sur les composites biomimétiques, fournit vraiment un aperçu plus approfondi des mécanismes de durcissement au sein de cette structure unique, " dit Kisaïlus.
L'architecture hélicoïdale du club dactyle d'une crevette-mante est naturellement conçue pour survivre aux coups répétés à grande vitesse. Crédit :Université de Californie, Bord de rivière, Image au microscope électronique à balayage /David Kisailus
« La nouveauté de ce travail est que, côté théorie, nous avons développé un nouveau modèle, et du côté expérimental, nous avons utilisé des matériaux établis pour créer des composites qui valident cette théorie, " a déclaré Zavattieri.
Des recherches antérieures ont montré que cette architecture hélicoïdale est naturellement conçue pour survivre aux coups répétés à grande vitesse, révélant que les fibres sont également disposées en chevrons dans la couche externe de l'appendice.
Dans la nouvelle recherche, l'équipe a appris précisément pourquoi ce motif confère une telle ténacité :à mesure que des fissures se forment, ils suivent le motif de torsion plutôt que de s'étendre directement à travers la structure, provoquant son échec. Les images prises au microscope électronique à l'UC Riverside montrent qu'au lieu qu'une seule fissure continue de se propager, de nombreuses petites fissures se forment - dissipant l'énergie absorbée par le matériau lors de l'impact.
Les chercheurs ont créé et testé des composites imprimés en 3D inspirés du phénomène, capturer le comportement de la fissure avec des caméras et des techniques de corrélation d'images numériques pour étudier la déformation du matériau.
Les chercheurs ont modélisé des composites imprimés en 3D après les fissures de torsion responsables de la force du club dactyle de la crevette-mante. Crédit :Image de l'Université Purdue/Pablo Zavattieri
Pipes Byron, John L. Bray, professeur distingué d'ingénierie de Purdue, aidé Suksangpanya à fabriquer des composites renforcés de fibres de verre incorporant ce phénomène.
"Nous mettons en place de nouveaux mécanismes qui n'étaient pas disponibles auparavant pour les composites, "
dit Zavattieri. "Traditionnellement, lorsque nous produisons des composites, nous assemblons les fibres de manière non optimale, et la nature nous enseigne comment nous devons le faire."
Les résultats aident maintenant au développement de briquets, des matériaux plus solides et plus résistants pour de nombreuses applications, y compris l'aérospatiale, automobile et sport.
