Une fine coque en polymère souple peut aider à empêcher les structures céramiques noueuses de se briser, selon les scientifiques des matériaux à l'Université Rice.

Les céramiques fabriquées avec des imprimantes 3D se fissurent sous la contrainte comme n'importe quelle assiette ou bol. Mais recouvert d'un polymère mou durci sous lumière ultraviolette, les mêmes matériaux ont de bien meilleures chances de conserver leur intégrité structurelle, tout comme le verre traité d'un pare-brise de voiture est moins susceptible de se briser.

La recherche à la Brown School of Engineering de Rice, qui apparaît dans Avancées scientifiques , démontre le concept sur les schwarzites, des réseaux complexes qui n'existaient pendant des décennies qu'en théorie mais qui peuvent maintenant être réalisés avec des imprimantes 3D. Avec des polymères ajoutés, ils en viennent à ressembler à des structures trouvées dans la nature comme des coquillages et des os constitués de plaquettes durcies dans une matrice de biopolymère.

Schwarzite, du nom du scientifique allemand Hermann Schwarz, qui a émis l'hypothèse dans les années 1880 que les structures "à courbure négative" pourraient être utilisées partout où des matériaux très solides mais légers sont nécessaires, des batteries aux ossements en passant par les bâtiments.

Les chercheurs dirigés par les scientifiques des matériaux de riz Pulickel Ajayan et Muhammad Rahman et l'étudiant diplômé et auteur principal Seyed Mohammad Sajadi ont prouvé par des expériences et des simulations qu'un revêtement de polymère d'une épaisseur maximale de 100 microns rendra les schwarzites fragiles jusqu'à 4,5 fois plus résistantes aux fractures catastrophiques. .

Les structures peuvent encore se fissurer sous pression, mais ils ne s'effondreront pas.

« On a bien vu que les structures non revêtues sont très cassantes, " dit Rahman, chercheur à Rice. "Mais quand on met les structures enduites en compression, ils supporteront la charge jusqu'à ce qu'ils se cassent complètement. Et curieusement, même alors, ils ne se brisent pas complètement en morceaux. Ils restent enfermés comme du verre feuilleté."

L'équipe, avec des membres en Hongrie, Canada et Inde, créé des modèles informatiques des structures et les a imprimés avec une « encre » en céramique infusée de polymère. La céramique a été durcie à la volée par des lumières ultraviolettes dans l'imprimante, puis trempé dans du polymère et durci à nouveau.

Avec les unités de contrôle non revêtues, les blocs complexes ont ensuite été soumis à une pression élevée. Les schwarzites de contrôle se sont brisées comme prévu, mais le revêtement polymère empêchait les fissures de se propager dans les autres, permettant aux structures de garder leur forme.

Les chercheurs ont également comparé les schwarzites à des céramiques solides revêtues et ont découvert que les structures poreuses étaient intrinsèquement plus résistantes.

"L'architecture a certainement un rôle, " a déclaré Sajadi. " Nous avons vu que si nous enduisons une structure solide, l'effet du polymère n'était pas aussi efficace qu'avec la schwarzite."

Ajayan a déclaré que les revêtements agissaient un peu comme les matériaux naturels qu'ils imitent, car le polymère infuse des défauts dans les céramiques et améliore leur résistance.

Rahman a déclaré que plusieurs applications structurelles pourraient bénéficier des céramiques renforcées par des polymères. Leur biocompatibilité pourrait également les rendre à terme adaptés aux prothèses.

"Je suis presque sûr que si nous pouvons optimiser ces structures topologiquement, ils sont également très prometteurs pour une utilisation en tant que bioéchafaudages, " dit Rahman.