Une nouvelle étude d'ingénieurs du MIT, Caltech, et l'ETH Zürich montre que les matériaux "nanoarchitecturés" - des matériaux conçus à partir de structures nanométriques à motifs précis - peuvent être une voie prometteuse vers une armure légère, des revêtements protecteurs, boucliers anti-explosion, et d'autres matériaux résistants aux chocs.

Les chercheurs ont fabriqué un matériau ultraléger composé d'entretoises en carbone à l'échelle nanométrique qui confèrent au matériau ténacité et robustesse mécanique. L'équipe a testé la résilience du matériau en le projetant avec des microparticules à des vitesses supersoniques, et a constaté que le matériel, qui est plus fin que la largeur d'un cheveu humain, empêché les projectiles miniatures de le déchirer.

Les chercheurs calculent que par rapport à l'acier, Kevlar, aluminium, et d'autres matériaux résistants aux chocs de poids comparable, le nouveau matériau est plus efficace pour absorber les impacts.

"La même quantité de masse de notre matériau serait beaucoup plus efficace pour arrêter un projectile que la même quantité de masse de Kevlar, " dit l'auteur principal de l'étude, Carlos Portela, professeur adjoint de génie mécanique au MIT.

S'il est produit à grande échelle, ce matériau et d'autres nano-architecturés pourraient potentiellement être conçus comme plus légers, alternatives plus résistantes au Kevlar et à l'acier.

« Les connaissances issues de ce travail… pourraient fournir des principes de conception pour des matériaux ultralégers résistants aux chocs [à utiliser dans] des matériaux de blindage efficaces, des revêtements protecteurs, et des boucliers résistants aux explosions souhaitables dans les applications de défense et spatiales, " dit la co-auteur Julia R. Greer, professeur de science des matériaux, mécanique, et ingénierie médicale à Caltech, dont le laboratoire a dirigé la fabrication du matériau.

L'équipe, qui rend compte aujourd'hui de ses résultats dans la revue Matériaux naturels , comprend David Veysset, Soleil Yuchen, et Keith A. Nelson, de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT et du Département de chimie, et Dennis M. Kochmann de l'ETH Zürich.

De cassant à souple

Un matériau nanoarchitecturé est constitué de structures à l'échelle nanométrique qui, selon la façon dont ils sont disposés, peut conférer aux matériaux des propriétés uniques telles qu'une légèreté et une résilience exceptionnelles. En tant que tel, les matériaux nanoarchitecturés sont perçus comme potentiellement plus légers, matériaux plus résistants aux chocs. Mais ce potentiel n'a en grande partie pas été testé.

"Nous ne connaissons leur réponse que dans un régime de déformation lente, alors qu'une grande partie de leur utilisation pratique est supposée être dans des applications du monde réel où rien ne se déforme lentement, " dit Portela.

L'équipe s'est attachée à étudier les matériaux nanoarchitecturés dans des conditions de déformation rapide, comme lors d'impacts à grande vitesse. Chez Caltech, ils ont d'abord fabriqué un matériau nanoarchitecte en utilisant la lithographie à deux photons, une technique qui utilise un jeûne, laser haute puissance pour solidifier des structures microscopiques dans une résine photosensible. Les chercheurs ont construit un motif répétitif connu sous le nom de tétrakaïdécaèdre, une configuration en treillis composée d'entretoises microscopiques.

"Historiquement, cette géométrie apparaît dans les mousses à atténuation énergétique, " dit Portela, qui a choisi de répliquer cette architecture de type mousse dans un matériau carboné à l'échelle nanométrique, conférer une souplesse, propriété d'absorption des chocs au matériau normalement rigide. "Alors que le carbone est normalement cassant, la disposition et les petites tailles des entretoises dans le matériau nanoarchitecturé donne naissance à un caoutchouteux, architecture dominée par la flexion."

Après avoir modelé la structure en treillis, les chercheurs ont lavé les restes de résine et l'ont placée dans un four sous vide à haute température pour convertir le polymère en carbone, laissant derrière lui un ULM, matériau de carbone nanoarchitecturé.