Imaginez un ballon qui pourrait flotter sans utiliser de gaz plus léger que l'air. Au lieu, il pourrait simplement avoir tout son air aspiré tout en conservant sa forme remplie. Un tel ballon à vide, qui pourrait contribuer à atténuer la pénurie mondiale actuelle d'hélium, ne peut être fabriqué que s'il existait un nouveau matériau suffisamment solide pour supporter la pression générée en expulsant tout cet air tout en étant léger et flexible.

La scientifique des matériaux de Caltech Julia Greer et ses collègues sont sur la voie du développement d'un tel matériau et de nombreux autres qui possèdent des combinaisons de propriétés inouïes. Par exemple, ils pourraient créer un matériau thermiquement isolant mais aussi extrêmement léger, ou un qui est simultanément fort, poids léger, et incassable - des propriétés qui sont généralement considérées comme s'excluant mutuellement.

L'équipe de Greer a développé une méthode pour construire de nouveaux matériaux structuraux en tirant parti des propriétés inhabituelles que les solides peuvent avoir à l'échelle nanométrique, où les caractéristiques sont mesurées en milliardièmes de mètres. Dans un article publié dans le numéro du 12 septembre de la revue Science , les chercheurs de Caltech expliquent comment ils ont utilisé la méthode pour produire une céramique (par exemple, un morceau de craie ou une brique) qui contient environ 99,9 pour cent d'air mais est incroyablement fort, et qui peut retrouver sa forme d'origine après avoir été écrasé de plus de 50 pour cent.

« La céramique a toujours été considérée comme lourde et cassante, " dit Greer, professeur de science des matériaux et de mécanique à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech. "Nous montrons qu'en fait, ils n'ont pas à l'être non plus. Cela démontre très clairement que si vous utilisez le concept de l'échelle nanométrique pour créer des structures, puis utilisez ces nanostructures comme LEGO pour construire des matériaux plus grands, vous pouvez obtenir presque n'importe quel ensemble de propriétés que vous voulez. Vous pouvez créer des matériaux par conception."

Les chercheurs utilisent une méthode d'écriture laser directe appelée lithographie à deux photons pour "écrire" un motif tridimensionnel dans un polymère en permettant à un faisceau laser de réticuler et de durcir le polymère là où il est focalisé. Les parties du polymère qui ont été exposées au laser restent intactes tandis que le reste est dissous, révélant un échafaudage en trois dimensions. Cette structure peut ensuite être recouverte d'une fine couche d'à peu près n'importe quel type de matériau - un métal, un alliage, un verre, un semi-conducteur, etc. Ensuite, les chercheurs utilisent une autre méthode pour graver le polymère de l'intérieur de la structure, laissant une architecture creuse.

Les applications de cette technique sont pratiquement illimitées, dit Greer. Comme à peu près n'importe quel matériau peut être déposé sur les échafaudages, le procédé pourrait être particulièrement utile pour des applications en optique, efficacité énergétique, et la biomédecine. Par exemple, il pourrait être utilisé pour reproduire des structures complexes telles que l'os, produire un échafaudage à partir de matériaux biocompatibles sur lesquels les cellules pourraient proliférer.

Dans les derniers travaux, Greer et ses étudiants ont utilisé cette technique pour produire ce qu'ils appellent des nano-réseaux tridimensionnels formés par un motif répétitif à l'échelle nanométrique. Après l'étape de modelage, ils ont recouvert l'échafaudage polymère d'une céramique appelée alumine (c'est-à-dire, oxyde d'aluminium), réalisation de structures en tube creux d'alumine avec des parois allant de 5 à 60 nanomètres d'épaisseur et des tubes de 450 à 1, 380 nanomètres de diamètre.

L'équipe de Greer a ensuite voulu tester les propriétés mécaniques des différents nano-réseaux qu'ils ont créés. En utilisant deux dispositifs différents pour piquer et pousser des matériaux à l'échelle nanométrique, ils ont écrasé, étiré, et autrement essayé de déformer les échantillons pour voir comment ils tenaient le coup.

Ils ont découvert que les structures en alumine d'une épaisseur de paroi de 50 nanomètres et d'un diamètre de tube d'environ 1 micron se brisaient lorsqu'elles étaient comprimées. Ce n'était pas surprenant étant donné que la céramique, surtout ceux qui sont poreux, sont cassants. Cependant, la compression de réseaux avec un rapport plus faible entre l'épaisseur de paroi et le diamètre du tube - où l'épaisseur de paroi n'était que de 10 nanomètres - a produit un résultat très différent.

"Vous le déformez, et tout d'un coup, ça revient, " dit Greer. "Dans certains cas, nous avons pu déformer ces échantillons jusqu'à 85 %, et ils pourraient encore récupérer."

Pour comprendre pourquoi, considérer que la plupart des matériaux fragiles comme la céramique, silicium, et le verre se brise parce qu'ils sont remplis de défauts, d'imperfections telles que de petits vides et des inclusions. Plus le matériau est parfait, moins vous avez de chances de trouver un point faible où il échouera. Par conséquent, les chercheurs émettent l'hypothèse, lorsque vous réduisez ces structures jusqu'au point où les parois individuelles n'ont que 10 nanomètres d'épaisseur, le nombre de défauts et la taille des défauts sont réduits au minimum, rendant l'ensemble de la structure beaucoup moins susceptible d'échouer.

"L'un des avantages de l'utilisation des nano-réseaux est que vous améliorez considérablement la qualité du matériau car vous utilisez des dimensions si petites, " dit Greer. " C'est fondamentalement aussi proche que possible d'un matériau idéal, et vous obtenez l'avantage supplémentaire de n'avoir besoin que d'une très petite quantité de matériau pour les fabriquer."

Le laboratoire Greer cherche maintenant activement diverses manières d'augmenter la production de ces soi-disant méta-matériaux.