Les structures Bouligand, présentes dans des matériaux naturels comme les écailles de poisson, le péritoine et les os de homard, sont connues pour conférer des propriétés mécaniques exceptionnelles aux biomatériaux. Même si des progrès ont été réalisés dans la création de matériaux bio-inspirés, la plupart des recherches se sont concentrées sur l’assemblage des fibres. Une compréhension plus approfondie de la manière dont les fibres interagissent pour améliorer les fonctions mécaniques est désormais nécessaire.
Une équipe de recherche dirigée par l'académicien Yu Shuhong de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a introduit une structure Bouligand bioinspirée avec une interface interfibreuse hiérarchique et reconfigurable qui augmente considérablement la résistance mécanique et la ténacité grâce à transfert de charge dynamique et dissipation d'énergie, offrant une nouvelle stratégie pour créer des matériaux structurels avancés.
L'article est publié dans la revue Science Advances .
L’équipe avait initialement utilisé des nanofibres de cellulose bactérienne comme matrice modèle, mais avait du mal à comprendre comment l’orientation des nanofibres influençait le comportement micromécanique. Pour résoudre ce problème, ils ont mené des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle avec différents angles d'orientation.
Les résultats ont révélé que l'optimisation de la dimension du réseau de liaisons hydrogène grâce à des structures de réticulation améliorait la capacité de transfert de charge et la résistance aux dommages.
De plus, l’équipe a observé que des angles d’orientation excessifs affaiblissaient l’efficacité du transfert de charge et la densité des liaisons hydrogène entre chaînes, entraînant une diminution des propriétés mécaniques. Cela a mis en évidence l'importance d'un ordre modéré pour une interaction interfaciale optimale.
Un ordre modéré intègre la microstructure et la liaison hydrogène, surpassant l'ordre structurel élevé en raison de compromis entre l'orientation structurelle, l'imbrication des fibres et les dimensions du réseau de liaison hydrogène.
De plus, l’équipe a identifié une large zone d’ombre autour des fissures et a révélé des micro-mouvements de primitives de nanofibres. Une lumière à polarisation croisée a été utilisée pour surveiller ce micro-mouvement au sein de la couche membranaire, permettant ainsi la préparation de matériaux structurels Bouligand bioinspirés avec couplage multi-échelle par empilement hélicoïdal et densification par presse à chaud.
La structure Bouligand bioinspirée de l'USTC, rendue possible par un ordre modéré, présente des propriétés mécaniques et une stabilité dimensionnelle exceptionnelles, et pourrait avoir des applications dans des domaines biomédicaux tels que la réparation et le remplacement des tissus fibrocartilagineux.
Plus d'informations : Si-Ming Chen et al, Interface interfibreuse hiérarchique et reconfigurable de la structure Bouligand bioinspirée activée par un ordre modéré, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adl1884
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine
