Nacre naturelle, comme les moules, est l'un des plus difficiles, matériaux naturels les plus stables et rigides. Les chercheurs en ont toujours été fascinés. La structure de la nacre est exquise au microscope électronique; il ressemble à un mur de briques miniature, dont les joints sont remplis de mortier. Les briques sont composées de minuscules plaques de carbonate de calcium empilées les unes sur les autres et interconnectées par des ponts minéraux, et rempli d'un mortier composé d'une substance organique.

Les chercheurs de l'ETH du Group for Complex Materials dirigé par André R. Studart ont étudié et imité cette structure. Les scientifiques des matériaux utilisent un processus spécial qu'ils ont développé pour produire de tels matériaux semblables à de la nacre.

Ils utilisent des plaques d'oxyde d'aluminium disponibles dans le commerce de quelques dizaines de micromètres et une résine époxy qui agit comme un ciment de joint. Dans un champ magnétique tournant, les chercheurs alignent les plaques aimantées dissoutes dans une solution aqueuse comme souhaité dans une direction, et sous haute pression et à des températures d'environ 1000 degrés Celsius, ils solidifient le matériau avec l'ajout d'une résine. Il en résulte un matériau composite avec une microstructure similaire à la nacre naturelle.

Les ponts renforcent la structure

Afin de rendre la nacre artificielle encore plus stable et plus dure, l'équipe a maintenant utilisé de telles plaques recouvertes d'oxyde de titane. L'oxyde de titane commence à fondre à environ 800 degrés, qui est un point de fusion inférieur à celui de l'oxyde d'aluminium. Des gouttelettes d'oxyde de titane se forment à la surface des plaquettes et se transforment en ponts, renforçant ainsi l'ensemble de la structure. « Ces ponts influencent également de manière significative, la solidité du matériau, " dit Kunal Masania, co-auteur d'une étude qui vient de paraître dans la revue technique PNAS .

La densité de ces ponts en titane peut être ajustée avec précision par pression et température, produire de la nacre artificielle avec les propriétés physiques souhaitées telles que la rigidité, résistance et ténacité à la rupture. A l'aide d'un modèle et d'expériences, les chercheurs ont calculé quelles conditions de pression et de température favorisent la formation des propriétés respectives dont la rigidité est comparable à celle des composites en fibre de carbone. Avec ça, l'équipe a établi un nouveau record du monde en combinant rigidité, solidité et ténacité de ce type de matériau bio-inspiré.

Avec la technologie nouvellement développée, des matériaux de type nacre peuvent être produits qui ont des propriétés sur mesure pour l'application respective. Les applications possibles incluent la construction, l'avion et l'espace.