Dix enseignants du secondaire ont passé une semaine au MIT en juillet pour concevoir et fabriquer Frankensteel, un matériau auto-réparateur inspiré du méchant du film Terminator 2. Ensuite, ils visent à recréer les calculs et les expériences impliqués pour leurs élèves à la maison.

"Ce fut une expérience phénoménale pour moi, et une source d'inspiration en termes de 'carrières/domaines d'études possibles très cool' pour les étudiants", a écrit un enseignant en réponse à un sondage anonyme à la fin de la semaine.

Présentation de l'ingénierie des matériaux

Il y a une vingtaine d'années, la plus grande société au monde impliquant des matériaux, ASM International, a commencé à organiser des camps de matériaux annuels pour initier les élèves du secondaire - et, quelques années plus tard, leurs enseignants - au monde de la science et de l'ingénierie des matériaux. Ils l'ont fait en partie parce que "les élèves du secondaire semblaient avoir une compréhension de base de tous les domaines de l'ingénierie, à l'exception des matériaux", explique Gregory B. Olson, qui a été impliqué dans les camps pendant de nombreuses années.

Olson, qui a récemment rejoint le Département de science et d'ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT en tant que professeur Thermo-Calc de la pratique, a dirigé le récent Camp du génome des matériaux au MIT. C'est la première fois qu'un tel camp a lieu à l'Institut.

Pendant le camp, les enseignants ont été initiés à la Materials Genome Initiative (MGI), annoncée par le président Obama en 2011. Comme l'explique Olson, il s'agit d'un effort pour créer une « base de données fondamentale des paramètres qui dirigent l'assemblage des structures des matériaux, " un peu comme le Human Genome Project " est une base de données physique qui dirige l'assemblage des structures de la vie."

L'objectif est d'utiliser la base de données pour concevoir, fabriquer et déployer des matériaux avancés deux fois plus rapidement et à une fraction du coût par rapport aux méthodes traditionnelles, selon le site Web de MGI. Le MGI "a reconnu que les types de conception de matériaux informatiques que nous avons pratiqués sont réels et prêts, et c'est ce que tout le monde devrait faire", déclare Olson, cofondateur du premier centre formé pour relancer l'effort, qui est financé par l'Institut national des normes et de la technologie en tant que centre multi-institutionnel "CHiMaD" pour la conception de matériaux hiérarchiques.

Fabriquer de l'acier Frankensteel

Les enseignants du MIT ont travaillé avec Thermo-Calc, un logiciel de calcul utilisé pour prédire les structures des matériaux (chacun est reparti avec un exemplaire gratuit). Ils l'ont utilisé pour concevoir quatre versions différentes de Frankensteel, le matériau inspiré du méchant de Terminator 2 dont le corps en métal peut prendre un coup puis se réparer. "Nous voulions nous concentrer sur quelque chose qui passionnerait vraiment les étudiants", déclare Olson, dont les recherches continues sur CHiMaD sont soutenues par le laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Frankensteel est composé d'un alliage métallique supporté par un réseau de fils en alliage à mémoire de forme (matériaux qui subissent un changement de structure réversible lorsqu'ils sont exposés à la chaleur). Si le matériau composite se fissure, il peut se "guérir" de lui-même lorsqu'il est chauffé à une certaine température. "Il se soude essentiellement à cette température", explique Olson.

Pour le camp, les enseignants ont d'abord conçu quatre versions d'un alliage d'étain plutôt que l'alliage de fer utilisé dans les Frankensteels commerciaux. "C'est une version simplifiée qui peut être réalisée dans un laboratoire de chimie au lycée", explique Olson. Ils ont également calculé le nombre de fils nécessaires dans chaque composite.

Ensuite, ils ont fabriqué et testé les matériaux.

L'ensemble du processus peut être effectué dans un laboratoire de chimie de lycée, dit Olson, à l'exception des tests finaux. "Le test est le plus grand défi pour déplacer [la démonstration] dans les écoles" en raison de l'équipement impliqué. Olson note cependant que les écoles peuvent parfois collaborer avec les universités locales pour utiliser leur équipement. "Nous continuons d'explorer d'autres façons dont les enseignants peuvent effectuer les tests", a déclaré Olson. "L'un des professeurs qui participe depuis longtemps à ces camps a même mis au point un testeur de traction à base de bois que vous pouvez construire vous-même et actionner en tournant une manivelle."

Materials Camp comprenait également plusieurs conférences invitées, dont une par le professeur Christopher Schuh, professeur de métallurgie Danae et Vasilis Salapatas et ancien directeur du DMSE. Plusieurs autres personnes du MIT ont également participé au Materials Camp. Technical Instructors Shaymus Hudson and Mike Tarkanian shared their laboratories and instructed the teachers in casting and testing their samples. DMSE graduates students Krista Biggs, Clay Houser, and Julian Rackwitz, and Research Associate Dr. Margianna Tzini, helped coordinate the overall week.

Concludes Biggs:"We had an enthusiastic, curious group of teachers working on an interesting project, and it was a very fulfilling week." + Explorer plus loin

Research team develops new strategy for designing thermoelectric materials