Des chercheurs de l'Université Rice ont créé un matériau synthétique qui se renforce à la suite d'un stress répété, tout comme le corps renforce les os et les muscles après des entraînements répétés.

Travail du Rice lab de Pulickel Ajayan, professeur en génie mécanique et science des matériaux et de chimie, montre le potentiel de rigidifier les nanocomposites à base de polymères avec des charges de nanotubes de carbone. L'équipe a rapporté sa découverte ce mois-ci dans le journal ACS Nano .

L'astuce, il semble, réside dans le complexe, interface dynamique entre les nanostructures et les polymères dans des matériaux nanocomposites soigneusement conçus.

Brent Carey, un étudiant diplômé du laboratoire d'Ajayan, a trouvé la propriété intéressante en testant les propriétés de fatigue à cycle élevé d'un composite qu'il a fabriqué en infiltrant une forêt de matériaux alignés verticalement, nanotubes multiparois au polydiméthylsiloxane (PDMS), un inerte, polymère caoutchouteux. A sa grande surprise, le chargement répété du matériau ne semblait pas l'endommager du tout. En réalité, le stress l'a rendu plus rigide.

Carey, dont la recherche est parrainée par une bourse de la NASA, utilisé l'analyse mécanique dynamique (DMA) pour tester leur matériau. Il a découvert qu'après 3,5 millions de compressions étonnantes (cinq par seconde) sur environ une semaine, la rigidité du composite avait augmenté de 12 % et montrait un potentiel d'amélioration encore plus poussé.

"Il a fallu un peu de peaufinage pour que l'instrument fasse cela, " Carey a déclaré. " DMA suppose généralement que votre matériel ne change pas de manière permanente. Dans les premiers tests, le logiciel n'arrêtait pas de me dire, « J'ai endommagé l'échantillon ! » à mesure que la rigidité augmente. J'ai également dû le tromper avec une boucle de programme insoluble pour atteindre le nombre élevé de cycles."

Les scientifiques des matériaux savent que les métaux peuvent s'écrouir lors de déformations répétées, résultat de la création et du brouillage de défauts - appelés dislocations - dans leur réseau cristallin. Polymères, qui sont faits de longs, répéter des chaînes d'atomes, ne vous comportez pas de la même manière.

L'équipe ne sait pas exactement pourquoi leur matériau synthétique se comporte comme il le fait. "Nous avons pu exclure une réticulation supplémentaire dans le polymère comme explication, " Carey a dit. " Les données montrent qu'il y a très peu d'interaction chimique, si seulement, entre le polymère et les nanotubes, et il semble que cette interface fluide évolue au cours de la sollicitation."

"L'utilisation de nanomatériaux comme charge augmente considérablement cette zone interfaciale pour la même quantité de matériau de charge ajouté, " Ajayan a dit. " Par conséquent, les effets interfaciaux résultants sont amplifiés par rapport aux composites conventionnels.

"Pour les matériaux d'ingénierie, les gens aimeraient avoir un composite comme celui-ci, ", a-t-il déclaré. "Ce travail montre comment les nanomatériaux dans les composites peuvent être utilisés de manière créative."

Ils ont également découvert une autre vérité sur ce phénomène unique :la simple compression du matériau n'a pas modifié ses propriétés; seule la contrainte dynamique - le déformant encore et encore - le rendait plus rigide.

Carey a fait une analogie entre leur matériel et les os. "Tant que vous stressez régulièrement un os du corps, il restera fort, " dit-il. " Par exemple, les os du bras de raquette d'un joueur de tennis sont plus denses. Essentiellement, il s'agit d'un effet adaptatif que notre corps utilise pour résister aux charges qui lui sont appliquées.

"Notre matériau est similaire dans le sens où une charge statique sur notre composite ne provoque pas de changement. Vous devez le stresser dynamiquement afin de l'améliorer."

Le cartilage peut être une meilleure comparaison - et peut-être même un futur candidat pour le remplacement des nanocomposites. "Nous pouvons imaginer que cette réponse soit attrayante pour le développement de cartilage artificiel capable de répondre aux forces qui lui sont appliquées mais reste souple dans les zones qui ne sont pas stressées, " dit Carey.

Les deux chercheurs ont noté que c'est le genre de recherche fondamentale qui pose plus de questions qu'elle n'apporte de réponses. Bien qu'ils puissent facilement mesurer les propriétés en vrac du matériau, c'est une toute autre histoire de comprendre comment le polymère et les nanotubes interagissent à l'échelle nanométrique.

"Les gens ont essayé d'aborder la question du comportement de la couche de polymère autour d'une nanoparticule, " dit Ajayan.
"C'est un problème très compliqué. Mais fondamentalement, c'est important si vous êtes ingénieur en nanocomposites.

« De ce point de vue, Je pense que c'est un beau résultat. Cela nous dit qu'il est possible de concevoir des interfaces qui permettent au matériau de faire des choses non conventionnelles. »