Tirez et pelez. Pour beaucoup, l'expression évoque probablement les paquets de réglisse rouge (et la seule vraie façon de les manger). Aux scientifiques des matériaux comme Yuris Dzenis de l'Université du Nebraska-Lincoln et ses collègues, bien que, il représente une métaphore utile pour la structure étonnamment similaire des fibres haute performance trouvées dans les gilets pare-balles et l'ingénierie aérospatiale.

Il pourrait également décrire une nouvelle technique puissante pour analyser et, Dzenis espère, combattre finalement l'échec de ces fibres polymères - pas une décennie trop tôt.

Les années 60 et 70 ont déclenché un déluge d'avancées liées à la fibre, ce que Dzenis a appelé « une véritable révolution » dans l'amélioration de leur chimie, composition et transformation. Mais cette source s'est tarie dans les années 1980, il a dit, et est resté relativement stérile depuis.

Un goulot d'étranglement probable ? Une compréhension limitée du comportement des fibres lorsqu'elles sont étirées jusqu'à leur point de rupture, autrement connu sous le nom de résistance à la traction.

"Ce que nous pensons, et nos collaborateurs de l'armée américaine pensent également, est que cela peut être dû à notre mauvaise compréhension de la façon dont ces fibres complexes répondent au chargement, " dit Dzenis, Professeur McBroom de génie mécanique et des matériaux. "Malgré le fait qu'ils soient étudiés depuis cinq décennies, il n'y a toujours pas de compréhension complète des mécanismes de fracture et de déformation.

"Comme toujours, quand on veut optimiser quelque chose, nous devons d'abord le comprendre."

Les scientifiques des matériaux ont déjà compris qu'une fibre haute performance se compose généralement de trois hiérarchies :des vrilles nanoscopiques qui sont des milliers de fois plus fines qu'un cheveu humain; microscopique, paquets serrés de ces vrilles; et la fibre macroscopique que constituent ces faisceaux. Ou, en termes de pull 'n' peel :brins individuels de réglisse, les faisceaux dont ces brins sont tirés, et le paquet qui les contient.

Bien que les chercheurs aient analysé la réaction des fibres à l'échelle nanométrique et macroscopique, aucun n'avait trouvé comment mesurer les interactions entre les faisceaux microscopiques - des interactions que beaucoup soupçonnaient d'être essentielles pour comprendre certaines découvertes contre-intuitives et le processus dans son ensemble.

Taylor Stockdale, diplômé en doctorat supervisé par Dzenis, et ses collègues du laboratoire de recherche de l'armée américaine étaient à la hauteur de la tâche. Stockdale a mis au point une technique pour graver de minuscules encoches en forme de T dans le haut de la fibre et retirer sa surface pendant qu'elle était étirée, tout en évitant les perturbations qui invalidaient les mesures capturées par d'autres techniques - l'équivalent nanoscopique de marcher sur une corde raide sans la déranger. Avec les entrailles de la fibre révélées, l'équipe a alors pu employer des méthodes plus familières, en utilisant un instrument de nano-indentation pour mesurer les forces séparant les faisceaux adjacents et un microscope sophistiqué pour imager ces faisceaux qui se déchirent.

Ayant fait cela, l'équipe s'est attachée à comparer le comportement de deux fibres hautes performances courantes :une fibre de Kevlar constituée de chaînes polymères rigides et une autre, fibre de polyéthylène plus souple. Dzenis et ses collègues se sont particulièrement intéressés à l'analyse de la fibrillation des fibres, la tendance des faisceaux à se déchirer non pas au même point - comme dans une cassure nette - mais à différents points le long d'une fibre, entraînant un arrachement du faisceau et une défaillance de la fibre. Parce qu'aucune équipe n'avait jamais réussi à quantifier la séparation entre les paquets, ce processus, un peu comme les paquets eux-mêmes, était resté caché sous la surface.

Les expériences de l'équipe ont révélé qu'il fallait beaucoup moins d'énergie pour séparer les faisceaux dans la fibre de polyéthylène à chaîne flexible que dans la fibre de Kevlar plus rigide, aider à clarifier pourquoi les fibrillations se sont propagées beaucoup plus loin sur la longueur des premières fibres que les dernières.

Ces données résultantes, et la technique qui l'a donné, devrait éclairer les futurs modèles informatiques et éventuellement aider à optimiser les processus de fabrication qui conduisent à plus de résistance, fibres plus durables, les chercheurs ont dit.

"Pour la première fois, ces informations nous ont permis d'expliquer les différences de fibrillation, " Dzenis a déclaré à propos de l'étude de l'équipe, qui a récemment fait la couverture du journal Matériaux et interfaces appliqués ACS . « Nous expliquons les différences à l'aide de données, ce qui est déjà une grande avancée."

Ce n'était pas le seul. Après avoir comparé la quantité d'énergie de séparation absorbée aux trois échelles de la fibre de polyéthylène - vrille, faisceau et fibre entière - l'équipe a découvert que l'énergie obéissait à une loi dite de puissance. Dans ce cas, l'énergie de séparation absorbée semble augmenter proportionnellement à la surface de séparation prise à la puissance d'environ 0,5, ce qui signifie que l'énergie a augmenté à un taux de ralentissement constant par rapport à l'augmentation d'échelle. Cette, à son tour, suggéré que les vrilles devraient être plus faciles à séparer que les faisceaux, et des faisceaux plus faciles que des fibres entières.

Et ce n'était pas tout. Dans les structures, la mise à l'échelle de la loi de puissance s'accompagne souvent d'une auto-similarité :un phénomène dans lequel des parties d'une structure ressemblent à la structure dans son ensemble, comme lorsque les bras d'un flocon de neige partagent des caractéristiques structurelles avec l'ensemble du flocon. Assez sur, lorsque l'équipe a comparé des images de rupture de séparation entre les faisceaux microscopiques et les parties de fibres macroscopiques, il a repéré des ponts de matériel similaires couvrant les lacunes aux deux échelles - preuve d'auto-similitude qui pourrait également aider à expliquer la mise à l'échelle de la loi de puissance.

"Les gens de la mécanique de la rupture, en physique, ils célèbrent généralement quand ils voient quelque chose comme ça, parce que c'est tellement riche pour la modélisation future et ainsi de suite, " Dzenis a déclaré. "C'est aussi très fondamental. Il peut finir par être au cœur de ce complexe, comportement de fracture multi-échelle.

« Nous prévoyons que les gens rechercheront désormais une auto-similitude dans les fibres, probablement pour la première fois, parce qu'il n'y avait aucune preuve de quelque chose comme ça auparavant. Il manquait un chaînon. Maintenant, nous l'avons."

Des questions demeurent, Dzenis a dit, dont la plus intrigante concerne l'adage d'une chaîne qui se brise à son maillon le plus faible. Cet adage s'applique généralement à la défaillance des structures, il a dit. Compte tenu des découvertes de l'équipe sur l'énergie de séparation absorbée, le principe suggérait que la pire fibrillation aurait dû se produire parmi les vrilles nanoscopiques, pas les faisceaux microscopiques.

"Cela nous a intrigués, " a-t-il dit. " Cela a en fait retardé la publication d'environ six mois. Nous allions et venions; nous avions probablement 15 ébauches de ce document jusqu'à ce que nous nous arrêtions sur cette chose. Selon l'énergie, la fibrillation aurait dû être à l'échelle nanométrique. Mais quelque chose l'empêche dans la fibre, et la fibrillation majeure est à l'échelle intermédiaire. La réponse à cette question n'a pas encore été formulée ou finalisée, mais nous avons quelques indices maintenant."

En attendant, Dzenis a dit, les multiples percées de l'équipe devraient aider les scientifiques et les ingénieurs des matériaux au moins à commencer à démêler certains des principaux fils conducteurs qui ont confiné le domaine pendant si longtemps.

« Les procédés de fabrication de la fibre sont complexes et encore mal connus, mais certaines choses peuvent être modifiées :certaines concentrations, un peu de chimie, certains rapports d'étirage et températures et ainsi de suite, " dit-il. " Quand nous les changeons, nous pouvons mesurer une propriété de fibre finale, mais avec un mécanisme de défaillance aussi complexe... la propriété finale n'est qu'un point de données. Il ne suffit pas de comprendre comment ou pourquoi un changement de traitement affectera le mécanisme de défaillance. Une meilleure compréhension des détails à différentes échelles sera très, informations très puissantes et utiles pour les chercheurs. Ces informations quantitatives sont la clé pour développer davantage ces mécanismes et créer de nouvelles super-fibres.

"Nous sommes ravis. Vous ne trouvez pas souvent quelque chose de qualitativement nouveau, encore moins quantitativement inattendu. Mais ce n'est que le début."