La microscopie électronique à balayage à haute résolution montre une partie d'un grand faisceau de nanofibres continues ultra-résistantes et résistantes développées par les chercheurs de l'UNL. Crédit :Joël Brehm, Dimitry Papkov, Yuris Dzenis
Les ingénieurs en matériaux de l'Université du Nebraska-Lincoln ont développé une nanofibre structurelle à la fois solide et résistante, une découverte qui pourrait tout transformer, des avions et des ponts aux gilets pare-balles et aux vélos.
Leurs découvertes sont présentées sur la couverture du numéro d'avril de la revue de l'American Chemical Society, ACS Nano .
"Tout ce qui est fait de composites peut bénéficier de nos nanofibres, " a déclaré le chef de l'équipe, Yuris Dzenis, Professeur McBroom de génie mécanique et des matériaux et membre du Nebraska Center for Materials and Nanoscience de l'UNL.
"Notre découverte ajoute une nouvelle classe de matériaux à la famille actuelle très sélectionnée de matériaux présentant simultanément une résistance et une ténacité élevées."
Dans les matériaux de structure, la sagesse conventionnelle soutient que la force vient au détriment de la ténacité. La résistance fait référence à la capacité d'un matériau à supporter une charge. La ténacité d'un matériau est la quantité d'énergie nécessaire pour le casser; donc plus un matériau bosse, ou se déforme d'une manière ou d'une autre, moins il risque de casser. Une assiette en céramique, par exemple, peut porter le dîner à table, mais se brise s'il tombe, car il manque de solidité. Une balle en caoutchouc, d'autre part, se déforme facilement, mais ne casse pas parce que c'est dur, pas fort. Typiquement, la force et la ténacité s'excluent mutuellement.
Dzenis et ses collègues ont développé une nanofibre de polyacrilonitrile exceptionnellement mince, un type de polymère synthétique apparenté à l'acrylique, en utilisant une technique appelée électrofilage. Le processus consiste à appliquer une haute tension à une solution de polymère jusqu'à ce qu'un petit jet de liquide s'éjecte, résultant en une longueur continue de nanofibre.
Ils ont découvert qu'en rendant la nanofibre plus fine qu'auparavant, il est devenu non seulement plus fort, comme on s'y attendait, mais aussi plus dur.
Dzenis a suggéré que la ténacité provient de la faible cristallinité des nanofibres. En d'autres termes, il a de nombreux domaines qui sont structurellement non organisés. Ces régions amorphes permettent aux chaînes moléculaires de glisser davantage, leur donnant la capacité d'absorber plus d'énergie.
L'image de microscopie électronique à balayage à haute résolution montre une forte, nanofibres continues résistantes fabriquées et étudiées par l'Université du Nebraska-Lincoln. Crédit :Joël Brehm, Yan Zou, Yuris Dzenis
Les fibres les plus avancées ont moins de régions amorphes, ils se cassent donc relativement facilement. Dans un avion, qui utilise de nombreux matériaux composites, une rupture brutale pourrait provoquer un accident catastrophique. Pour compenser, les ingénieurs utilisent plus de matériel, qui fabrique des avions, et autres produits, plus lourd.
« Si les matériaux de structure étaient plus résistants, on pourrait rendre les produits plus légers et toujours très sûrs, " dit Dzenis.
Gilet pare-balles, tels que les gilets pare-balles, nécessite également un matériau à la fois solide et résistant. "Pour arrêter la balle, vous avez besoin du matériau pour pouvoir absorber l'énergie avant la panne, et c'est ce que feront nos nanofibres, " il a dit.
