Une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiques constaté que certains types de matériaux ont une « mémoire » de la façon dont ils ont été traités, stocké, et manipulé. Les chercheurs ont ensuite pu utiliser cette mémoire pour contrôler le vieillissement d'un matériau et coder des propriétés spécifiques qui lui permettent de remplir de nouvelles fonctions. Cette approche créative pour la conception de matériaux est le résultat d'une collaboration entre Andrea Liu de Penn et Sidney R. Nagel, Nidhi Pashiné, et Daniel Hexner de l'Université de Chicago.

Liu et Nagel ont travaillé ensemble pendant de nombreuses années sur la physique des systèmes désordonnés. Contrairement aux systèmes ordonnés, qui ont des motifs systématiques et répétitifs, les systèmes désordonnés sont disposés aléatoirement. Un exemple illustratif est un mur naturel fait de terre fortement tassée, où les grains individuels ne sont pas soigneusement empilés mais s'agglutinent plutôt pour former une structure rigide. Les chercheurs s'intéressent à ces systèmes car leur caractère aléatoire permet de les transformer facilement en de nouveaux métamatériaux mécaniques aux propriétés mécaniques uniques.

Une propriété importante que les scientifiques des matériaux aimeraient contrôler est la façon dont un matériau réagit lorsqu'une force externe est appliquée. Lorsque la plupart des matériaux sont étirés dans une direction, ils rétrécissent perpendiculairement, et lorsqu'ils sont comprimés, ils se dilatent perpendiculairement, comme un élastique - quand il est étiré, il devient mince, et lorsqu'il est comprimé, il devient plus épais.

Des matériaux qui font le contraire, ceux qui rétrécissent perpendiculairement lorsqu'ils sont comprimés et deviennent plus épais lorsqu'ils sont étirés, sont appelés auxétiques. Ces matériaux sont rares, mais on pense qu'ils absorbent mieux l'énergie et résistent mieux aux fractures. Les chercheurs s'intéressent à la création de matériaux auxétiques pour aider à améliorer la fonction des matériaux qui, entre autres, pourrait absorber les chocs.

Dans cette étude, les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient utiliser la "mémoire" d'un matériau désordonné des contraintes antérieures qu'il avait rencontrées pour transformer le matériau en quelque chose de nouveau. D'abord, ils ont exécuté des simulations informatiques de matériaux normaux sous pression et modifié de manière sélective les liaisons atomiques pour voir quels changements pourraient rendre le matériau auxétique. Ils ont découvert que, en coupant les liaisons le long des zones les plus sollicitées, ils pourraient créer numériquement un matériau auxétique.

À l'aide de cet aperçu, l'équipe a ensuite pris un matériau de type polystyrène et a ajouté de la "mémoire" en permettant au matériau de vieillir sous des contraintes spécifiées. Pour rendre le matériau auxétique, ils ont appliqué une pression constante sur le matériau et l'ont laissé vieillir naturellement. "Avec le tout sous pression, il s'est ajusté. Il s'est transformé d'un matériau normal en un métamatériau mécanique, " dit Liu.

Ce processus incroyablement simple et efficace est un pas de plus vers un "Saint Graal" de la science des matériaux, capable de créer des matériaux avec des structures spécifiques au niveau atomique sans avoir besoin d'équipement haute résolution ou de modifications au niveau atomique. L'approche décrite dans cet article ne nécessite qu'un peu de patience pendant que le système gagne en "mémoire" puis vieillit naturellement.

Liu dit que c'est une façon "totalement différente" de penser à la fabrication de nouveaux matériaux. "Vous commencez avec un système désordonné, et si vous appliquez les bonnes contraintes, vous pouvez le faire sortir avec les propriétés que vous voulez, " elle dit.

Ce travail a également un lien fort avec les structures en biologie. Organes, enzymes, et les réseaux de filaments sont des exemples naturels de systèmes désordonnés difficiles à imiter synthétiquement en raison de leur complexité. Maintenant, les chercheurs pourraient utiliser cette approche plus simple comme point de départ pour créer des structures complexes fabriquées par l'homme qui s'inspirent du large éventail de propriétés observées en biologie.

Nagel est optimiste pour l'avenir. « En plus de fabriquer des matériaux auxétiques, " il dit, "nous avons également utilisé un ordinateur pour concevoir en contrôle mécanique précis des parties distantes du matériau en appliquant des contraintes locales. Cela aussi est inspiré de l'activité biologique. Nous devons maintenant voir si cela, trop, peut être fait fonctionner en vieillissant un vrai matériau en laboratoire."

"Les possibilités à ce stade semblent illimitées, " dit Nagel. " Ce n'est qu'en approfondissant le travail théorique et l'expérimentation que nous commencerons à comprendre quelles sont les limites de ce nouveau concept de conception matérielle. "