Image en microscopie optique de la section transversale d'une écaille de carpe montrant une structure multicouche. Crédit :Quan et al., Structure et adaptabilité mécanique d'une écaille de poisson élasmoïde moderne de la carpe commune, Question
L'homme a puisé son inspiration technologique dans les écailles de poisson depuis l'Antiquité :les Romains, Egyptiens, et d'autres civilisations vêtiraient leurs guerriers d'armures d'écailles, offrant à la fois protection et mobilité. Maintenant, en utilisant des techniques avancées d'imagerie par rayons X, Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont caractérisé les écailles de la carpe à l'échelle nanométrique, leur permettant de comprendre comment le matériau résiste à la pénétration tout en conservant sa souplesse.
Les chercheurs ont utilisé de puissants faisceaux de rayons X à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour observer comment les fibres des écailles de carpe réagissent lorsque le stress est appliqué. Comme ils l'ont écrit dans leur article, publié récemment dans la revue Question , ce qu'ils ont trouvé « pourrait bien fournir une inspiration supplémentaire pour la conception de matériaux structurels synthétiques avancés avec une ténacité et une résistance à la pénétration sans précédent. »
"La structure des matériaux biologiques est absolument fascinante, " a déclaré l'auteur principal Robert Ritchie, de la division Sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui a dirigé ce travail avec Marc Meyers, professeur de nano-ingénierie et de génie mécanique à l'UC San Diego. "Nous aimons imiter ces propriétés dans les matériaux d'ingénierie, mais la première étape est de voir comment la nature le fait."
Les écailles de poisson ont une coque externe dure avec une couche interne plus douce, résistante et ductile. Quand quelque chose comme les dents d'un prédateur essaie de s'enfoncer dans les écailles, la coque extérieure résiste à la pénétration mais l'intérieur doit absorber tout l'excès de charge pour maintenir la balance en un seul morceau. Comment fait-il cela ? Il s'avère que les fibres de la balance, qui est composé de collagène et de minéraux, sont dans une orientation tordue, appelée structure Bouligand. Lorsqu'une contrainte est appliquée au matériau, les fibres tournent en séquence afin d'absorber l'excès de charge.
"C'est ce qu'on appelle la réorientation adaptative. C'est comme un matériau intelligent, " dit Ritchie, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "En utilisant une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles, nous pouvons suivre cela en temps réel en utilisant le synchrotron. Nous l'irradions avec des rayons X, et nous pouvons réellement voir les fibres tourner et bouger."
Les scientifiques ont étudié la structure des écailles de la carpe commune (Cyprinus carpio), Crédit :Quan et al., Structure et adaptabilité mécanique d'une écaille de poisson élasmoïde moderne de la carpe commune, Question
Le collagène qui compose la peau humaine, d'autre part, est "tout foiré comme un bol de spaghettis, mais il peut s'effilocher et s'aligner pour absorber l'énergie, qui rend la peau incroyablement résistante aux déchirures, " a déclaré Ritchie. La structure Bouligand dans l'écaille de la carpe est beaucoup plus organisée mais constitue toujours un mécanisme de renforcement très efficace.
L'autre caractéristique notable d'une écaille de carpe est le gradient entre les couches dures et molles. "Si nous faisions ça comme une armure, nous aurions une interface entre le matériau dur et mou. L'interface est invariablement un endroit où commencent les fissures et les défaillances, " dit Ritchie, un expert dans la façon dont les matériaux échouent. "La façon dont la nature le fait :au lieu d'avoir ces interfaces où il y a une discontinuité entre un matériau et un autre, la nature fait un dégradé parfait du matériau dur au matériau doux (plus résistant). "
Travaillant en collaboration avec les chercheurs de l'UC San Diego, l'équipe a déjà étudié l'arapaima, un poisson d'eau douce d'Amazonie dont les écailles sont si résistantes qu'elles sont impénétrables au piranha, ainsi que d'autres espèces. Pour cette étude, ils ont choisi la carpe, une version moderne de l'ancien poisson cœlacanthe, également connu pour avoir des écailles qui agissent comme une armure.
Maintenant que les mécanismes de déformation et de rupture des écailles de carpe ont été caractérisés, essayer de reproduire ces propriétés dans un matériau d'ingénierie est le prochain défi. Ritchie a noté que les progrès de l'impression 3D pourraient fournir un moyen de produire des dégradés comme le fait la nature, et ainsi fabriquer un matériau à la fois dur et ductile.
« Une fois que nous aurons mieux compris comment manipuler l'impression 3D, on peut commencer à fabriquer plus de matériaux à l'image de la nature, " il a dit.
