Nacre, également connu sous le nom de nacre est un composite, matière organique-inorganique produite dans la nature dans la couche interne de la coquille des mollusques et le revêtement externe des perles. Le matériau est résilient et irisé avec une résistance et une ténacité élevées, résultant de son architecture de brique et de mortier. Les matériaux légers et résistants présentent un intérêt pour la science des matériaux en raison de leur potentiel dans des applications multidisciplinaires dans le sport, aérospatial, transport et biomédecine. Dans une étude récente, maintenant publié dans Avancées scientifiques , Yang Yang et ses collègues des départements interdisciplinaires d'ingénierie des systèmes, Chimique, Génie biomédical et aérospatial à l'Université de Californie du Sud, a développé un itinéraire pour construire des structures hiérarchiques inspirées de la nacre avec des formes 3-D complexes via l'impression 3-D assistée électriquement.

Pour créer une structure de type brique et mortier dans l'ouvrage, ils ont aligné des nanoplaquettes de graphène (GN) sous forme de briques dans le champ électrique (433 V/cm) lors de l'impression 3D et ont inclus la matrice polymère comme mortier. La nacre imprimée en 3D bio-inspirée avec des GN alignés (2% du poids) était légère (1,06 g/cm ³ ), mais avec une ténacité et une résistance spécifiques similaires à celles de la nacre naturelle. Le poids léger imprimé en 3D, Les GN alignés sur les blindages intelligents pourraient détecter les dommages de surface pour exercer un changement de résistance lors des applications électriques. L'étude a mis en évidence des possibilités intéressantes pour les nanomatériaux bioinspirés à architecture hiérarchique testés dans une preuve de principe, mini casque intelligent. Les applications projetées incluent le renforcement mécanique intégré, capacités d'autodétection électrique en biomédecine, l'ingénierie aérospatiale ainsi que les appareils militaires et sportifs.

Les matériaux structurels légers et solides tels que les capteurs portables multifonctionnels ont attiré une attention croissante dans la surveillance de la santé, mais la plupart des capteurs piézoélectriques sont souples et ne peuvent pas protéger la surface d'intérêt. Un protecteur, Le capteur portable multifonctionnel est donc actuellement demandé pour les applications militaires et sportives. La structure hiérarchique de la nacre dans la nature offre des performances mécaniques supérieures, malgré ses constituants relativement faibles pour protéger le corps mou des mollusques. Le secret de sa capacité de protection est inhérent à son architecture de brique et de mortier (BM) qui va de la nano- et micro-échelle à la macro-échelle.

Cette propriété exceptionnelle des matériaux a constitué la base de la conception d'une armure légère et résistante pour les interfaces microstructurales en science des matériaux. Bien que traditionnel, processus d'assemblage ascendants tels que la filtration sous vide, revêtement par pulvérisation, les modèles de glace et l'auto-assemblage ont été précédemment étudiés intensivement pour construire des architectures inspirées de la nacre, les méthodes se sont uniquement concentrées sur la formation de couches minces bidimensionnelles (2D) ou sur des structures en vrac simples. Comme il est difficile d'utiliser ces techniques pour développer des architectures 3D, l'impression 3D (fabrication additive) est une alternative puissante. Des études récentes en science des matériaux et en bio-ingénierie ont utilisé l'impression 3D avec des forces de cisaillement, champs magnétiques et acoustiques pour former des composites renforcés avec des fibres alignées.

Dans le travail present, Yang et al. a présenté une méthode d'impression 3D assistée électriquement utilisant des nanoplaquettes de graphène alignées (GN) dans une résine photodurcissable pour construire les architectures hiérarchiques inspirées de la nacre. La technique proposée a tiré parti de l'assemblage nano-à-micro-échelle induit par le champ électrique et de l'assemblage micro-à-macro-échelle via l'impression 3D. Les architectures 3D avec GN alignés (aGN) ont montré des propriétés mécaniques renforcées par rapport aux GN aléatoires (rGN). La nacre artificielle imprimée en 3D affiche une ténacité et une résistance spécifiques comparables à la nacre naturelle, avec des propriétés électriques anisotropes supplémentaires contrairement à la nacre naturelle.

Les scientifiques proposent de développer un casque intelligent avec protection intégrée, capacités d'auto-détection à l'aide du processus d'impression 3D assistée électriquement. L'architecture bioinspirée de brique et de mortier (BM) peut améliorer la résistance mécanique et la conduction électrique en alignant les nanoplaquettes de graphène dans chaque couche pour des performances maximales via la déviation des fissures sous charge. Au total, Yang et al. viser à concevoir multifonctionnel, structures 3D légères mais solides et à détection électrique automatique, du laboratoire à l'industrie.

Pour reproduire le défi hiérarchique, architecture micro-/nano-échelle de nacre naturelle, les scientifiques ont utilisé des aGN dans un polymère photodurcissable, greffé avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane (3-APTES) pour renforcer l'interface et le transfert de charge au niveau de la matrice polymère de type sandwich. Pour la résine photodurcissable, ils ont utilisé G ⁺ résine de Maker Juice Labs, noté MJ, contenant du diacrylate époxy à haute résistance, diacrylate de glycol et un photoinitiateur avec d'excellentes propriétés mécaniques et une faible viscosité.

Pour aligner les GN dans le composite lors de l'impression 3D à base de calques, Yang et al. utilisé un champ électrique (433 V/cm) pour construire des structures composites MJ/GN inspirées de la nacre. Les scientifiques ont appliqué des tensions continues, suivi de la collecte par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), images d'imagerie optique et de microscopie électronique à balayage (MEB) pour caractériser (c'est-à-dire tester) les composites nouvellement développés. Les couches d'échantillons GN parallèles et étroitement emballées résultantes ont été structurellement séparées par la matrice polymère entre les deux en tant que mortier pour conférer les caractéristiques structurelles critiques pour les performances mécaniques dans la nacre synthétique 3-D. Les scientifiques ont vu des similitudes entre la structure de la nacre synthétique et naturelle à l'échelle macro et micro.

Avant l'impression 3D, Yang et al. créé le modèle de nacre en utilisant d'abord le logiciel SolidWorks, puis l'a découpé en tranches avec un logiciel de stéréolithographie basé sur un dispositif à micromiroir numérique (DMD) développé en interne pour générer des motifs de surface. Ils ont projeté des images masquées des motifs calculés sur la surface de la résine pour construire des couches dans lesquelles le processus d'impression 3-D assisté électriquement a aligné et polymérisé sélectivement les pièces programmées pour une orientation de renforcement spécifique, couche sur chaque couche des composites MJ/GN pour créer la structure d'intérêt. Les scientifiques ont formé l'écart souhaité entre l'alignement GN dans la résine MJ, avant la photocuration à l'aide du système de projection lumineuse DMD (3,16 mW/cm ² ) disponible dans la configuration.

Ils ont ensuite comparé le comportement contrainte-déformation de la nacre imprimée en 3D avec des rGN (aléatoires) et des aGN (alignés) pour différents rapports. Par rapport à la nacre naturelle, la version synthétique a montré des fractures fragiles typiques avec propagation de fissures dans un premier temps. Yang et al. utilisé la simulation structurelle à l'aide de COMSOL Multiphysics pour montrer le site de concentration des contraintes et l'importance d'un alignement GN précis pour la déviation des fissures et la dissipation d'énergie dans les nacres synthétiques. Lorsqu'ils ont effectué des simulations structurelles de feuilles d'aGN optimisées avec 2 % de poids dans l'étude (2 % en poids), ils ont montré la formation de ponts qui conduisent à une répartition des contraintes au niveau de la zone de joint entre les aGN et la matrice polymère pour supporter les charges au lieu de favoriser l'avancement macroscopique des fissures. Les structures contenaient une liaison covalente, la liaison hydrogène et l'interaction π-π pour relier de manière synergique les aGNs pour des propriétés biomécaniques améliorées.

Pour tester les propriétés mécaniques, les scientifiques ont mené des tests de flexion en trois points pour mesurer la ténacité des composites imprimés en 3D avec des rGN, aGNs et un échantillon de polymère pur de référence. Après un alignement GN adéquat, ils ont obtenu un arrêt des fissures et une déviation stables comparables à la nacre naturelle, en durcissant les plaquettes en forme de brique. Les résultats ont indiqué une résistance à la rupture pendant la croissance des fissures pour les aGN. Les composites aGN inspirés de la nacre ont montré des ponts et des emboîtements qui se sont traduits par une augmentation de l'énergie dissipée et du durcissement, contribuant à la performance exceptionnelle d'arrêt des fissures du composite. La nacre synthétique 3-D était plus légère que la nacre naturelle, avec une densité inférieure par rapport aux composites synthétiques précédents.

La version synthétique 3D a montré une conductivité électrique significativement améliorée contrairement à la nacre naturelle, que Yang et al. testé à l'aide de réponses piézorésistives utiles pour les applications militaires et sportives d'auto-détection. Comme preuve de principe, les scientifiques ont conçu un casque 3-D portable pour un cycliste Lego en utilisant la technique pour étudier sa capacité d'auto-détection. Le casque composé d'aGN a montré une meilleure résistance aux chocs et à la compression par rapport aux rGN, vérifié avec des tests d'impact où les casques rGN se sont cassés tandis que les casques aGN ont conservé leurs formes. Yang et al. ont montré qu'un casque composé d'aGN (0,36 g) connecté à une lumière LED était capable de supporter l'impact d'une bille de fer 305 fois son poids (110 g), où la luminosité de la lumière LED n'a diminué que légèrement après l'impact en raison de la formation de fissures, dissipation d'énergie et résistance accrue.

Les scientifiques ont construit un circuit résistance-condensateur (RC) pour mesurer la résistance changeante pendant l'impact et pendant les tests de compression. Dans le casque rGN, la LED était toujours éteinte en raison de la plus grande résistance, comparativement, la résistance plus faible du casque aGN laissait la lumière LED allumée. De cette façon, Yang et al. a montré comment l'architecture nano-stratifiée a fourni un durcissement extrinsèque et une conductivité électrique améliorée grâce à la bio-inspiration, GN alignés dans les nanocomposites. Ils proposent de permettre la personnalisation de masse, assisté avec des capacités d'impression 3D pour traduire les matériaux intelligents légers enracinés avec d'excellentes propriétés mécaniques et électriques pour des applications commercialement viables dans des industries répandues.

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