Inspiré de la soie d'araignée extrêmement résistante, les chercheurs de NTNU ont développé un nouveau matériau qui défie les compromis déjà vus entre la ténacité et la rigidité.

Le matériau est un type de polymère connu sous le nom d'élastomère car il a une élasticité semblable à celle du caoutchouc. L'élastomère nouvellement développé comporte des molécules qui ont huit liaisons hydrogène dans une unité de répétition, et ce sont ces liaisons qui aident à répartir uniformément les contraintes exercées sur le matériau et à le rendre si durable.

"Les huit liaisons hydrogène sont à l'origine des propriétés mécaniques extraordinaires, " dit Zhiliang Zhang, professeur de mécanique et des matériaux au département de génie des structures de NTNU. Le matériau a été développé au NTNU NanoLab et partiellement financé par le Conseil de recherche de Norvège.

Substance rigide et résistante

L'idée d'introduire un nombre plus élevé que d'habitude de liaisons hydrogène est venue de la nature. "La soie d'araignée contient le même genre de structure, " dit Yizhi Zhuo, qui a développé le nouveau matériel dans le cadre de son doctorat. et le travail postdoctoral. "Nous savions que cela pouvait donner lieu à des propriétés très spéciales."

Les scientifiques ont déjà noté que la soie d'araignée, en particulier la soie de dragline, qui fournit les rayons et le bord extérieur d'une toile d'araignée - est à la fois exceptionnellement rigide et résistant.

La rigidité et la ténacité sont des propriétés distinctes en ingénierie, et sont souvent en opposition. Les matériaux rigides peuvent résister à beaucoup de contraintes avant de se déformer, alors que les matériaux durs peuvent absorber beaucoup d'énergie avant de se briser. Un verre, par exemple, est raide mais pas dur.

Plus grande ténacité

Jusqu'à maintenant, reproduire la double rigidité et ténacité de la soie d'araignée dans les élastomères synthétiques n'a pas été possible. "Avec des matériaux commerciaux, si vous voulez avoir une plus grande rigidité, vous avez une ténacité plus faible. C'est un compromis. Vous ne pouvez pas avoir les deux, " dit Zhang.

Le nouvel élastomère de l'équipe présente des domaines durs et mous distincts. Après l'avoir conçu et réalisé, l'équipe a utilisé un microscope à force atomique - avec une résolution de fractions de nanomètre - pour examiner la structure sous-jacente du matériau, et observer l'interface entre les régions dures et molles.

Ils ont vu qu'en plus des huit liaisons hydrogène distribuant le stress, l'inadéquation de la rigidité entre les domaines durs et mous a contribué à dissiper davantage l'énergie en encourageant les fissures à se ramifier au lieu de continuer le long d'un chemin rectiligne. "Si vous avez un zigzag, vous créez une grande surface de fracture et dissiperez plus d'énergie, donc vous avez une ténacité plus élevée, " dit Zhang.

Un avenir dans l'électronique flexible ?

Outre ses propriétés mécaniques, le matériau est optiquement transparent et les recherches suggèrent qu'il pourrait même s'auto-cicatriser à des températures supérieures à 80 °C. Si la production peut être augmentée, le nouveau matériau pourrait un jour être utilisé dans l'électronique flexible, en particulier les appareils portables qui sont plus sujets aux dommages et aux ruptures.

Zhang et ses collègues ont déposé un brevet pour leur matériau en mars, mais ils continuent à travailler sur l'introduction d'autres propriétés souhaitables. Les domaines mous de leur matériau sont constitués d'un polymère à base de silicium appelé PDMS, mais les chercheurs pensent qu'ils pourraient encore améliorer les propriétés mécaniques en expérimentant avec d'autres substances.

Ils aimeraient également étendre les propriétés du matériau pour inclure l'antigivrage - empêcher la glace de s'y coller à basse température - et l'anti-fouling - empêchant les organismes aquatiques comme les moules et les algues de s'y attacher - afin qu'il puisse être utilisé dans des conditions extrêmes, comme l'Arctique. « Ce matériel est un bon point de départ, mais nous voulons ajouter d'autres fonctionnalités, " dit Zhang.