(PhysOrg.com) -- Dans la nature, la force de la nacre est une clé de survie pour certains coquillages. Maintenant une équipe dirigée par Xiaodong Li, professeur d'ingénierie à l'Université de Caroline du Sud, a avancé une explication de la résilience inhabituelle que cet important bouclier défensif montre face aux attaques prédatrices. Compte tenu des structures nanométriques élaborées que la biologie incorpore naturellement dans la nacre, l'équipe de recherche pense que les résultats pourraient servir de modèle pour la conception de nouveaux matériaux résistants en laboratoire.

« Pendant longtemps, nous pensions avoir compris le fonctionnement de ces biomatériaux à l'échelle nanométrique - mais il s'avère que nous en savons juste un peu, " dit Li, dont l'équipe a publié ses résultats dans un article qui vient de paraître dans la nouvelle revue de Nature Publishing, Rapports scientifiques .

Nacre, aussi appelé nacre, constitue la doublure intérieure de la coquille des moules perlières et d'autres mollusques. Les perles elles-mêmes sont en nacre, qui est un nanomatériau composite construit par la biomachinerie des coquillages. De minuscules grains de cristal de carbonate de calcium sont disposés de manière régulière, motif complexe et liés ensemble par des biopolymères dans la structure de la nacre, ce qui ajoute une énorme stabilité au matériau :il est environ 1000 fois plus résistant à la fissuration par impact que la forme cristalline du carbonate de calcium (l'aragonite minérale) qui constitue la majeure partie de la nacre.

En effet, le carbonate de calcium en lui-même est peut-être mieux connu sous le nom de craie pour tableau noir; sa tendance à s'effondrer sape toute idée selon laquelle il servirait de moyen efficace pour arrêter une balle. Et pourtant, la nature organise une structure complexe de type brique et mortier - avec des briques de carbonate de calcium mesurant dans la gamme des nanomètres - pour créer un matériau incroyablement résistant, beaucoup plus fort que la somme de ses parties. La qualité chatoyante de la nacre est un sous-produit de cette structure, parce que la lumière visible qu'il réfléchit a des longueurs d'onde dont la taille est similaire à celle des briques nanométriques qu'il contient.

La force de Nacre sous pression, Li a expliqué, est inhabituel et quelque peu contraire à l'intuition. Lorsqu'il est pressé rapidement (chargement dynamique), il supporte bien plus de pression que lorsqu'il est pressé lentement (charge statique). « C’est une caractéristique des matériaux naturels avec des architectures de nanoparticules, " dit Li, « Pratiquement aucune céramique artificielle n'a cette propriété, ce qui serait inestimable dans des applications comme les gilets pare-balles, Il est donc très important de comprendre comment cela fonctionne.

La résistance accrue de la nacre face à une pression rapide est connue depuis 10 ans, mais les raisons qui la sous-tendent sont restées floues. L'équipe de Li a donc entrepris de comprendre le mécanisme en se concentrant sur la structure de la nacre à l'échelle nanométrique. Ils ont découpé avec précision des échantillons de nacre d'ormeau rouge de Californie et les ont soumis à des charges dynamiques et statiques. La nacre qui a été pressée rapidement - le test balistique, dans un sens - mettre en place plus de deux fois plus de résistance avant de se fracturer que celle qui a été comprimée lentement. Puis Li et ses collègues, qui comprenait des chercheurs de l'USC ainsi que des contributeurs de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte, utilisé la microscopie électronique à transmission pour traiter les détails de la fracturation à l'échelle nanométrique.

Leurs résultats étaient complètement inattendus. Dans des conditions balistiques à compression rapide, les particules nanométriques travaillent ensemble pour limiter le flambage du matériau. Les chercheurs ont conclu que le jumelage de déformation, un processus observé dans certains métaux et un indicateur particulier de résistance face au stress, entre en jeu avec les particules nanométriques de carbonate de calcium. Mais ce mécanisme n'était évident qu'avec des conditions balistiques, pas sous l'application plus lente de la pression. L'équipe de Li a également conclu que les dislocations partielles au sein de la nanostructure confèrent une plus grande résistance au matériau, mais, il ne s'est produit que dans les conditions balistiques.

Face à un court-métrage, la poussée puissante d'un prédateur - une activité contre laquelle les coquillages ont passé des millions d'années à se défendre - les briques nanostructurales de la structure globale de la nacre travaillent ensemble pour absorber l'impact et maximiser la résistance. La contrainte est d'abord absorbée et dissipée dans la nanostructure elle-même avant que le matériau lui-même ne soit maîtrisé et ne se fracture.

Maintenant que l'équipe de Li a élucidé les moyens des défenses renforcées de la nacre, les ingénieurs peuvent essayer d'appliquer les leçons aux matériaux synthétiques. « Le véritable objectif est de pouvoir concevoir ces matériaux, ", a déclaré Li. « Comprendre le mécanisme est la première étape pour faire, à titre d'exemple, de meilleurs matériaux pare-balles.