(Phys.org) - Les squelettes légers d'organismes tels que les éponges de mer affichent une force qui dépasse de loin celle des produits fabriqués par l'homme construits à partir de matériaux similaires. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que la différence est liée à l'architecture hiérarchique des matériaux biologiques - la façon dont les squelettes à base de silice sont construits à partir de différents éléments structurels, dont certains sont mesurés à l'échelle du milliardième de mètres, ou nanomètres. Maintenant, les ingénieurs du California Institute of Technology (Caltech) ont imité une telle structure en créant des nanostructures, échafaudages en céramique creux, et ont découvert que les petits blocs de construction, ou des cellules unitaires, font en effet preuve d'une force et d'une résistance aux défaillances remarquables malgré le fait qu'elles contiennent plus de 85 pour cent d'air.

"Inspiré, en partie, par des matériaux biologiques durs et par des travaux antérieurs de Toby Schaedler et d'une équipe des Laboratoires HRL, Caltech, et UC Irvine sur la fabrication de microtrusses extrêmement légères, nous avons conçu des architectures avec des blocs de construction de moins de cinq microns de long, ce qui signifie qu'ils ne sont pas résolus par l'œil humain, " dit Julia R. Greer, professeur de science des matériaux et de mécanique à Caltech. "La construction de ces architectures à partir de matériaux de dimensions nanométriques nous a permis de découpler la résistance des matériaux de leur densité et de fabriquer des métamatériaux dits structurels qui sont très rigides mais extrêmement légers."

A l'échelle nanométrique, il a été démontré que les solides présentent des propriétés mécaniques qui diffèrent considérablement de celles affichées par les mêmes matériaux à plus grande échelle. Par exemple, Le groupe de Greer a montré précédemment qu'à l'échelle nanométrique, certains métaux sont environ 50 fois plus résistants que d'habitude, et certains matériaux amorphes deviennent ductiles plutôt que cassants. « Nous capitalisons sur ces effets de taille et les utilisons pour rendre réel, structures tridimensionnelles, " dit Greer.

Dans une publication en ligne anticipée de la revue Matériaux naturels , Greer et ses étudiants décrivent comment les nouvelles structures ont été fabriquées et ont réagi aux forces appliquées.

La plus grande structure que l'équipe a fabriquée jusqu'à présent en utilisant la nouvelle méthode est un cube d'un millimètre. Les tests de compression sur l'ensemble de la structure indiquent que non seulement les cellules unitaires individuelles mais également l'architecture complète peuvent être dotées d'une résistance exceptionnellement élevée, selon la matière, ce qui suggère que la technique de fabrication générale développée par les chercheurs pourrait être utilisée pour produire des poids légers, composants de petite taille mécaniquement robustes tels que les batteries, interfaces, catalyseurs, et les dispositifs biomédicaux implantables.

Greer dit que le travail pourrait fondamentalement changer la façon dont les gens pensent à la création de matériaux. « Avec cette approche, nous pouvons vraiment commencer à penser à la conception des matériaux à l'envers, " dit-elle. " Je peux partir d'une propriété et dire que je veux quelque chose qui a cette résistance ou cette conductivité thermique, par exemple. Ensuite, je peux concevoir l'architecture optimale avec le matériau optimal à la taille appropriée et finir avec le matériau que je voulais."

L'équipe a d'abord conçu numériquement une structure en treillis comportant des cellules unitaires octaédriques répétitives, une conception qui imite le type de structure en treillis périodique observé chez les diatomées. Prochain, les chercheurs ont utilisé une technique appelée lithographie à deux photons pour transformer cette conception en un réseau polymère tridimensionnel. Ensuite, ils ont recouvert uniformément ce réseau de polymères de fines couches de matériau céramique nitrure de titane (TiN) et ont retiré le noyau de polymère, laissant un nanoréseau céramique. Le réseau est constitué d'entretoises creuses dont les parois ne dépassent pas 75 nanomètres.

« Nous sommes maintenant en mesure de concevoir exactement la structure que nous voulons reproduire, puis de la traiter de manière à ce qu'elle soit composée de presque toutes les classes de matériaux que nous souhaitons, par exemple, métaux, céramique, ou semi-conducteurs - aux bonnes dimensions, " dit Greer.

Dans un deuxième article, dont la publication est prévue dans la revue Matériaux d'ingénierie avancés , Le groupe de Greer démontre que des réseaux nanostructurés similaires pourraient être fabriqués à partir d'or plutôt que de céramique. "Essentiellement, une fois l'échafaudage créé, vous pouvez utiliser n'importe quelle technique vous permettant de déposer une couche uniforme de matériau dessus, " dit Greer.

Dans le Matériaux naturels travail, l'équipe a testé les cellules octaédriques individuelles du réseau céramique final et a découvert qu'elles avaient une résistance à la traction inhabituellement élevée. Malgré le stress répété, les cellules du réseau ne se sont pas cassées, alors qu'un beaucoup plus grand, morceau solide de TiN se briserait à des contraintes beaucoup plus faibles. Les céramiques typiques échouent à cause de défauts - les imperfections, tels que les trous et les vides, qu'ils contiennent. "Nous pensons que la plus grande résistance de ces matériaux nanostructurés vient du fait que lorsque les échantillons deviennent suffisamment petits, leurs défauts potentiels deviennent également très petits, et la probabilité de trouver un défaut faible en leur sein devient très faible, " dit Greer. Ainsi, bien que la mécanique des structures prédise qu'une structure cellulaire en TiN serait faible car elle a des parois très minces, elle dit, "on peut effectivement tromper cette loi en réduisant l'épaisseur ou la taille du matériau et en ajustant sa microstructure, ou des configurations atomiques."