Julia Greer, professeur de science des matériaux, mécanique et génie médical dans la division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech, crée des matériaux à partir de blocs de construction à l'échelle micro et nano qui sont arrangés dans des architectures sophistiquées qui peuvent être périodiques, comme un treillis, ou arbitraire. Décrit comme « matériaux architecturés, " ils présentent parfois des propriétés inhabituelles. Par exemple, Greer a créé des céramiques avec une récupérabilité semblable à de la mousse, des montures légères mais ultra résistantes qui peuvent rebondir après compression, et des batteries mécaniquement robustes.

En collaboration avec Yong-Wei Zhang de l'Institute of High Performance Computing de Singapour, Greer a déterminé que la défaillance des matériaux architecturés - le point auquel ils se cassent lorsqu'ils sont comprimés ou étirés - peut être décrite à l'aide de la mécanique des continus classiques, qui modélise le comportement d'un matériau comme une masse continue plutôt que comme des particules individuelles (ou "discrètes").

Cette découverte implique une dualité dans la nature de ces matériaux - en ce sens qu'ils peuvent être considérés à la fois comme des particules individuelles et aussi comme un seul collectif. Les découvertes de Greer et Zhang ont été annoncées dans un article publié par la revue Matériaux fonctionnels avancés le 13 décembre.

Les matériaux architecturaux intéressent les ingénieurs en raison de leurs propriétés souvent inhabituelles, mais leur comportement peut être difficile à prévoir. Il est impossible de savoir comment ils réagiront au stress jusqu'à ce qu'ils soient créés en laboratoire et testés. En tant que tel, la création de ces matériaux s'est faite en grande partie par essais et erreurs :les chercheurs imaginaient de nouvelles structures en treillis, puis les écrasaient et les étiraient pour voir à quel point elles étaient résistantes. Bien que ce processus ait conduit à des découvertes intéressantes, être capable de prédire comment un réseau donné fonctionnera sous pression avant de le construire permettrait aux ingénieurs de créer plus facilement des matériaux spécialement conçus.

L'équipe a fabriqué un treillis de creux, poutres en oxyde d'aluminium de 50 nanomètres d'épaisseur, puis ont effectué des tests de "rupture":ils ont mis le treillis sous tension et ont enregistré quand et comment il s'est fissuré. Les tests ont montré que le matériau a un rapport résistance-sur-densité, ou "force spécifique, " qui est quatre fois plus élevé que celui de tout autre matériel signalé à ce jour.

Surtout, les tests de défaillance ont permis à l'équipe de créer une théorie sur la façon dont les matériaux architecturaux échouent en général. "Cette nouvelle analyse nous donne une approche très puissante pour concevoir de nouveaux matériaux particulièrement résistants aux dommages et à la déchirure tout en maintenant un poids exceptionnellement faible, " dit Greer.

Comprendre quand et comment un matériau tombe en panne est essentiel s'il doit être utile dans des applications réelles, où il ne serait jamais poussé au-delà du point de défaillance. De telles informations permettent la création de nouveaux matériaux plus légers et plus résistants que tous ceux qui ont déjà été produits - et qui échoueront en simple, manières prévisibles. Par contre, de nombreux conventionnels (c'est-à-dire les matériaux non architecturés) échouent soudainement et d'une manière qui peut être difficile à prévoir et à décrire, dit Greer.

L'article s'intitule « Dualité discrète-continue des matériaux architecturaux :échec, Défauts, et Fracture."