Dans le monde des matériaux, la rigidité et l'élasticité se trouvent généralement aux extrémités opposées du continuum. Typiquement, plus un matériau est élastique, moins il est capable de supporter des charges et de résister à des forces. Plus c'est rigide, plus il est susceptible de se rompre à des contraintes inférieures lorsque la charge ou la force dépasse sa capacité. Un objectif pour de nombreux scientifiques des matériaux est de créer un matériau qui rassemble le meilleur des deux mondes.

À l'UC Santa Barbara, les scientifiques se sont rapprochés de cet objectif. Dans une étude récemment publiée, auteurs Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani et Kollbe Ahn décrivent un mécanisme par lequel un matériau peut être rendu hautement extensible sans sacrifier sa résistance et sa rigidité. Le papier, "Gradients fonctionnels bioinspirés pour l'augmentation de la ténacité dans les systèmes de polymères synthétiques, " apparaît dans le journal Chimie et physique macromoléculaires .

Pour l'inspiration, les chercheurs n'ont pas cherché plus loin que la plage.

"Vous pouvez voir à la fois la rigidité et l'extensibilité avec les fils de byssus des moules, " a déclaré le co-auteur principal Chorazewicz. Les moules passent leur vie dans la zone intertidale rocheuse, où leur capacité à tenir bon est une question de vie ou de mort. Les fils qu'ils dégagent sur les rochers doivent être à la fois suffisamment extensibles pour leur permettre de trouver le "grip" approprié sur des surfaces irrégulières et d'absorber le martèlement constant des vagues, suffisamment rigides pour empêcher les moules elles-mêmes de rebondir dans les courants et de se cogner contre les structures auxquelles elles sont fixées. La combinaison optimale des deux qualités est l'un des secrets de leur succès dans un environnement aussi variable et inhospitalier.

S'inspirant des mollusques, les chercheurs ont conçu un matériau à gradation fonctionnelle - une classe de matériaux relativement nouvelle qui tire parti des différences dans leurs compositions - pour créer une version synthétique des fils de byssus des moules qui non seulement minimise le compromis entre la flexibilité et la résistance, mais peut également être utilisé dans des environnements humides.

La clé de cette technologie est une combinaison réticulée du monomère acrylate de benzyle (BZA) avec le diméthacrylate de triéthylène glycol (TEGDMA), un polymère commun utilisé dans les charges de restauration dentaire. La réticulation, selon les chercheurs, au lieu de créer un "sandwich" de couches individuelles de BZA ou de TEGDMA, confère au matériau résultant des capacités qu'aucun d'eux seul n'aurait :la capacité de résister à des contraintes dans une large gamme de températures, et la capacité de supporter des charges. La combinaison de copolymères peut être davantage ajustée de sorte que ses couches aient des niveaux d'élasticité variables de la même manière que les fils de byssus présentent un gradient d'élasticité qui passe de son noyau de fibre de collagène souple à sa cuticule extérieure dure. De cette façon, les contraintes sur le matériau peuvent être soit absorbées efficacement, soit carrément résistées.

"Il peut également empêcher les fractures de se propager dans tout le matériau, " a déclaré Sundrani, co-auteur principal. En cas de stress excessif, l'énergie de déformation serait redirigée et confinée et une partie du matériau pourrait être sacrifiée dans un "délaminage bénéfique" qui éviterait la défaillance de l'ensemble de la structure.

Cette technologie a un large éventail d'applications.

"Ces jours, de plus en plus de matériaux sont remplacés par des polymères techniques, " dit le doyen du journal, auteur correspondant Ahn, qui a beaucoup travaillé avec des polymères biomimétiques inspirés des moules. "On peut imaginer n'importe quel matériau à base de polymère qui nécessite de la portance, " il ajouta, y compris les plastiques plus résistants, des équipements de protection tels que des casques, pièces de construction et avions plus durables, composants de véhicules et d'embarcations.

En outre, les domaines de la médecine, bio-ingénierie, la bioélectronique et même la robotique douce pourraient bénéficier de ces matériaux gradués fonctionnellement, qui pourrait être utilisé pour fabriquer des prothèses, articulations et organes artificiels, ou actionneurs et machines souples.

"Une autre application largement pratique serait d'appliquer des matériaux classés comme le nôtre à des revêtements sur des matériaux déjà existants plutôt que de les remplacer entièrement, par exemple, des plastiques rigides ou encore des implants biomédicaux, " a déclaré Sundrani.

"Ce que suggèrent nos matériaux de qualité fonctionnelle, " a noté Chorazewicz, "est une nouvelle classe de matériaux pour remplir une grande variété de ces rôles plutôt qu'une niche spécifique - et puisque ces matériaux sont accordables, ils peuvent être aussi durs ou mous que nécessaire pour l'usage auquel ils sont destinés."

Cet article est le résultat d'une collaboration unique inspirée par le programme de mentorat pour la recherche (RMP) de l'UCSB, un programme de sessions d'été qui associe des élèves du secondaire très performants à des chercheurs universitaires pour mener des recherches originales. Au moment où ils ont lancé cette recherche, Chorazewicz et Sundrani étaient tous deux des lycéens. Grâce à leur dynamisme inhabituel et au mentorat et aux conseils continus fournis par Ahn au-delà de leurs six semaines avec RMP, les auteurs juniors de cet article ont pu mener des recherches, rédiger leur article et le publier dans une revue scientifique à comité de lecture avant même de commencer leur carrière universitaire. Chorazewicz et Sundrani attribuent à Ahn son niveau d'implication dans leurs carrières scientifiques et d'ingénierie naissantes et prometteuses, tandis qu'Ahn reconnaît le dévouement de ses anciens étudiants RMP.