La couche extérieure d'une coquille d'ormeau, vu ici, est poli jusqu'à ce que la couche nacrée soit exposée. Les chercheurs du MIT ont corrélé les résultats de micro-indentation et de piézo-Raman pour évaluer et quantifier la quantité de stress dissipée à travers la structure hiérarchique du matériau. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Nacre, la matière irisée qui tapisse les coquilles de mollusques comme la nacre et l'ormeau, a longtemps été une trouvaille prisée des beachcombers et des collectionneurs de coquillages, en raison de la beauté naturelle et de la variété de couleurs qui s'y trouvent. Mais les scientifiques et les ingénieurs se sont également longtemps émerveillés et étudiés la nacre; c'est un matériau dur et solide, composé de couches alternées de plaquettes d'aragonite et de film à base de protéines organiques. Le monde naturel contient de nombreux matériaux qui ont évolué au fil du temps pour optimiser la résistance, durabilité, et performances. Alors que les chercheurs et les ingénieurs cherchent à développer des matériaux de construction améliorés et plus durables, ils se tournent de plus en plus vers la nature pour s'en inspirer.
La composition physique de la nacre lui permet de résister à des pressions et à des dommages considérables le long des plaquettes sans causer de dommages majeurs dans toute la coquille. Il a été supposé par certains que plus est en jeu des plaquettes individuelles qui leur permet une résistance et une durabilité extraordinaires, mais les chercheurs manquaient d'outils et de processus pour approfondir la relation entre l'orientation du cristal et les propriétés mécaniques, jusqu'à présent.
Au cours des deux dernières décennies, les coques ont généralement été testées pour leur résistance à l'aide de techniques telles que l'essai de flexion macroscopique, micro-/nano-indentation, et microscope à force atomique. Maintenant, Professeur assistant MIT en génie civil et environnemental Admir Masic, étudiant diplômé Hyun-Chae "Chad" Loh, et cinq autres ont combiné la microscopie électronique à balayage et la micro-indentation avec la spectroscopie Raman et ont développé une puissante méthode de caractérisation chimiomécanique qui permet une cartographie tridimensionnelle des contraintes et des déformations grâce à une technique connue sous le nom de piézo-Raman.
"Nous avons développé une méthodologie pour extraire des informations chimio-mécaniques importantes d'un système biologique qui est très bien connu et étudié, " explique Masic, dont les conclusions ont été récemment publiées dans Communications Materials. "La corrélation des résultats de micro-indentation et piézo-Raman nous a permis d'évaluer et de quantifier la quantité de stress dissipée à travers la structure hiérarchique."
La nouvelle approche de quantification des performances mécaniques du matériau est suffisante pour être une grande nouveauté à elle seule, mais pendant le processus, Masic et ses collègues chercheurs - à qui il attribue une grande partie du travail dans cet effort de collaboration - ont été surpris par les résultats.
En nacre, la direction de propagation des fissures est à la fois perpendiculaire (mode I) et parallèle (mode II) à la force de traction. Les chercheurs ont découvert que les sauts de fissure (mode II) sont liés à l'orientation cristalline des comprimés d'aragonite. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
« Nous avons d'abord appliqué ces outils pour étudier le mécanisme d'écrouissage à l'échelle de quelques microns. nous avons remarqué que la dissipation d'énergie n'était pas confinée à la structure de brique et de mortier, mais affectait une zone beaucoup plus vaste que ce à quoi nous nous attendions. Nous avons élargi notre champ d'étude à une plus grande échelle et trouvé ce nouveau mécanisme de trempe qui est lié à une mésostructure à l'échelle de 20 microns, " dit Loh. Ce que les chercheurs ont découvert, c'est que les empilements de plaquettes d'aragonite co-orientées constituent un autre niveau hiérarchique de structure, qui durcit le matériau lorsqu'il est sollicité.
Raman polarisé, une autre technique utilisée dans cette étude, aidé l'équipe à observer ce qu'on appelle l'orientation cristallographique des briques d'aragonite. Grâce à l'étude des modèles d'orientation, les chercheurs ont pu élucider l'échelle de longueur caractéristique des empilements d'aragonite et la relier aux schémas de propagation des fissures. Les fissures se sont propagées entre les empilements d'aragonite, démontrant leur contribution mécanique à la ténacité de la nacre.
"Cela nous a permis d'expliquer potentiellement ce qui cause ce durcissement à plus grande échelle. Des arrangements systématiques de cristaux peuvent être trouvés dans d'autres matériaux biominéraux, comme nos dents, et la micro-texture des matériaux a un impact direct sur leur fonction », explique Masic.
L'imitation de matériaux naturels comme la nacre a été une stratégie populaire pour la conception de nouveaux matériaux. La petite échelle de leurs structures, cependant, pose un défi pour reproduire et fabriquer les morphologies naturelles. "Avec notre découverte, nous proposons une nouvelle stratégie de biomimétisme pour simuler la structure de la nacre à une échelle de 10 microns ou plus, au lieu du niveau nano. » dit Masic.
C'est une nouvelle passionnante pour les chercheurs qui explorent de nouvelles possibilités pour les matériaux synthétiques inspirés du design naturel.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
