L'ingénieur Lawrence Livermore Xiaoyu "Rayne" Zheng - auteur principal de l'article sur la science - étudie une version macroscopique de la cellule unitaire, qui constitue l'ultra-léger, matériau ultra-rigide. Crédit :Julie Russell/LLNL.
Quelle est la différence entre la Tour Eiffel et le Washington Monument ? Les deux structures montent à des hauteurs impressionnantes, et chacun était le plus haut bâtiment du monde une fois terminé. Mais le Washington Monument est une structure massive en pierre, tandis que la tour Eiffel atteint une résistance similaire en utilisant un treillis de poutres et d'entretoises en acier qui est principalement à l'air libre, tirant sa force de la disposition géométrique de ces éléments.
Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont mis au point un moyen de traduire cette légèreté, pourtant remarquablement fort, structure jusqu'à l'échelle microscopique - concevoir un système qui pourrait être fabriqué à partir d'une variété de matériaux, tels que les métaux ou les polymères, et cela peut établir de nouveaux records de rigidité pour un poids donné.
Le nouveau design est décrit dans le journal Science par Nicholas Fang du MIT; ancien post-doctorant Howon Lee, maintenant professeur assistant à l'Université Rutgers; chercheur invité Qi "Kevin" Ge; Christopher Spadaccini et Xiaoyu "Rayne" Zheng de LLNL ; et huit autres.
La conception est basée sur l'utilisation de micro-réseaux avec des caractéristiques nanométriques, combinant une grande rigidité et résistance avec une densité ultra-faible, disent les auteurs. La production proprement dite de tels matériaux est rendue possible par un procédé d'impression 3D de haute précision appelé microstéréolithographie par projection, à la suite de la collaboration de recherche conjointe entre les groupes Fang et Spadaccini depuis 2008.
Normalement, Fang explique, la rigidité et la résistance diminuent avec la densité de tout matériau ; c'est pourquoi lorsque la densité osseuse diminue, les fractures deviennent plus probables. Mais en utilisant les bonnes structures déterminées mathématiquement pour répartir et diriger les charges - la façon dont la disposition des verticales, horizontal, et les poutres diagonales font dans une structure comme la Tour Eiffel - la structure plus légère peut maintenir sa résistance.
Une agréable surprise
La base géométrique de ces microstructures a été déterminée il y a plus d'une décennie, Croc dit, mais il a fallu des années pour transférer cette compréhension mathématique "à quelque chose que nous pouvons imprimer, en utilisant une projection numérique pour convertir ce modèle solide sur papier en quelque chose que nous pouvons tenir dans notre main. » Le résultat a été « une agréable surprise pour nous, " il ajoute, performant encore mieux que prévu.
"Nous avons trouvé que pour un matériau aussi léger et clairsemé que l'aérogel [une sorte de mousse de verre], on constate une rigidité mécanique comparable à celle du caoutchouc plein, et 400 fois plus fort qu'un homologue de densité similaire. De tels échantillons peuvent facilement supporter une charge de plus de 160, 000 fois leur propre poids, " dit Croc, le professeur agrégé de développement de carrière Brit et Alex d'Arbeloff en conception technique. Jusque là, les chercheurs du MIT et du LLNL ont testé le processus à l'aide de trois matériaux d'ingénierie :le métal, céramique, et polymère - et tous ont montré les mêmes propriétés d'être rigide à un poids léger.
"Ce matériau est parmi les plus légers au monde, " dit Spadaccini de LLNL. " Cependant, en raison de son agencement microarchitecturé, il présente une rigidité de quatre ordres de grandeur supérieure à celle des matériaux non structurés, comme les aérogels, à une densité comparable."
Cette image au microscope montre une seule unité de la structure développée par l'équipe, appelée cellule unitaire en treillis d'octets dominée par l'étirement, fabriqué à partir d'un polymère en utilisant la microstéréolithographie 3-D. Crédit :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Matériau léger, Charges lourdes
Cette approche pourrait être utile partout où il y a un besoin pour une combinaison de rigidité élevée (pour le support de charge), haute résistance, et légers, comme dans les structures à déployer dans l'espace, où chaque poids ajoute considérablement au coût de lancement. Mais Fang dit qu'il peut aussi y avoir des applications à plus petite échelle, comme dans les batteries pour appareils portables, où un poids réduit est également hautement souhaitable.
Une autre propriété de ces matériaux est qu'ils conduisent les ondes sonores et élastiques de manière très uniforme, ce qui signifie qu'ils pourraient conduire à de nouveaux métamatériaux acoustiques, Croc dit, cela pourrait aider à contrôler la façon dont les vagues se plient sur une surface courbe.
D'autres ont suggéré des principes structurels similaires au fil des ans, comme une proposition l'année dernière par des chercheurs du Center for Bits and Atoms (CBA) du MIT pour des matériaux qui pourraient être découpés en panneaux plats et assemblés en de minuscules cellules unitaires pour créer des structures plus grandes. Mais ce concept nécessiterait un assemblage par des systèmes robotiques encore à développer, dit Croc, qui a discuté de ce travail avec les chercheurs de l'ABC. Cette technique, il dit, utilise une technologie d'impression 3D qui peut être mise en œuvre dès maintenant.
