La force des dents est indiquée sur l'échelle des millimètres. Les sourires en porcelaine sont un peu comme la céramique, sauf que si les assiettes en porcelaine se brisent lorsqu'elles sont écrasées les unes contre les autres, nos dents ne le font pas, et c'est parce qu'ils sont pleins de défauts.

Ces défauts sont ce qui a inspiré le dernier article dirigé par Susanta Ghosh, professeur adjoint au Département de génie mécanique-Génie mécanique. La recherche est sortie récemment dans la revue Mechanics of Materials. Avec une équipe d'étudiants diplômés dévoués - Upendra Yadav, Mark Coldren et Praveen Bulusu—et son collègue ingénieur en mécanique Trisha Sain, Ghosh a examiné ce qu'on appelle la microarchitecture des matériaux fragiles comme le verre et la céramique.

"Depuis le temps des alchimistes, les gens ont essayé de créer de nouveaux matériaux, " a déclaré Ghosh. "Ce qu'ils ont fait était au niveau chimique et nous travaillons à l'échelle microscopique. Changer les géométries – la microarchitecture – d'un matériau est un nouveau paradigme et ouvre de nombreuses nouvelles possibilités car nous travaillons avec des matériaux bien connus. »

Verre incassable

Un verre plus résistant nous ramène aux dents et aux coquillages. Au niveau micro, les principaux composants durs et cassants des dents et des coquilles ont des interfaces faibles ou des défauts. Ces interfaces sont remplies de polymères mous. Alors que les dents grincent et que les obus cognent, les points mous amortissent les plaques dures, en les laissant glisser l'un sur l'autre. Sous une déformation supplémentaire, ils s'emboîtent comme des fermetures auto-agrippantes ou du velcro, transportant ainsi des charges énormes. Mais en mâchant, personne ne pourrait voir la forme d'une dent changer à l'œil nu. La microarchitecture changeante se produit à l'échelle du micron, et sa structure imbriquée rebondit jusqu'à ce qu'un noyau collant de caramel ou de maïs soufflé pousse les plaques coulissantes jusqu'au point de rupture.

Ce point de rupture est ce que Ghosh étudie. Des chercheurs sur le terrain ont découvert lors d'expériences que l'ajout de petits défauts au verre peut augmenter la résistance du matériau 200 fois. Cela signifie que les défauts mous ralentissent la défaillance, guider la propagation des fissures, et augmente l'absorption d'énergie dans le matériau fragile.

"Le processus de défaillance est irréversible et compliqué car les architectures qui piègent la fissure à travers un chemin prédéterminé peuvent être courbes et complexes, " a déclaré Ghosh. " Les modèles avec lesquels nous travaillons tentent de décrire la propagation des fractures et la mécanique de contact à l'interface entre deux blocs de construction durs et cassants. "