Nacre, également connu sous le nom de nacre, est un dur, composant fort et léger des coquillages. La structure microscopique de la nacre montre des plaquettes liées par une matrice plus molle pour former un composite avec des propriétés que les scientifiques tentent d'imiter dans les composites synthétiques. Une nouvelle formule des chercheurs de l'Université Rice vise à simplifier le processus. Crédit :Wikipédia
Nacre, la couche irisée dans les coquilles de certains mollusques, inspiré une étude de l'Université Rice qui aidera les scientifiques et les ingénieurs à juger de la résistance ultime, la rigidité et la ténacité des matériaux composites pour tout, de l'électronique à l'échelle nanométrique aux bâtiments.
Les chercheurs sur le riz Rouzbeh Shahsavari et Navid Sakhavand ont créé des cartes universelles qui prédisent les propriétés des composites naturels et biomimétiques à matrice plaquettaire (comme la nacre, alias nacre) et des empilements synthétiques (ou hétérostructures) de matériaux comme le graphène et le nitrure de bore.
Ils ont déclaré que leurs cartes dessinées par ordinateur étaient "sans dimension" et que leurs découvertes fonctionneraient aussi bien pour les matériaux construits avec des blocs nanométriques que pour un mur de briques, ou plus grand.
"C'est la beauté de cette approche :elle peut s'adapter à quelque chose de très grand ou de très petit, " dit Shahsavari, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science et génie des matériaux.
La recherche est parue cette semaine dans Communication Nature .
La formule repose sur quatre caractéristiques des différents matériaux considérés pour un composite :leur longueur, un rapport basé sur leurs raideurs respectives, leur plasticité et leur chevauchement.
Ce sont les entrées, dit Sakhavand, un étudiant diplômé du laboratoire de Shahsavari. « Si vous les connaissez, vous pouvez prédire la rigidité, la résistance et la ténacité du composite final. Nous appelons cela une carte universelle car tous ces paramètres d'entrée sont pertinents pour tous les composites et leurs propriétés structurelles."
Aux scientifiques et ingénieurs des matériaux, raideur, la ténacité et la force sont distinctes, propriétés mécaniques importantes. La force est la capacité d'un matériau à rester ensemble lorsqu'il est étiré ou comprimé. La rigidité est la capacité d'un matériau à résister à la déformation. La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber l'énergie avant la rupture.
Les cartes de conception des chercheurs montrent comment les matériaux se classent dans les trois catégories et où ils se chevauchent. Leur objectif est d'aider les ingénieurs à calculer les qualités ultimes d'un matériau et à réduire les essais et les erreurs.
L'étude a commencé lorsque Shahsavari a examiné de près l'architecture de la nacre, qui maximise à la fois la force et la ténacité, qui sont généralement des propriétés mutuellement exclusives dans les matériaux d'ingénierie. Sous un microscope, la nacre ressemble à un mur de briques bien construit avec des plaquettes superposées de différentes longueurs maintenues ensemble par de fines couches d'un biopolymère élastique.
Les chercheurs en riz Rouzbeh Shahsavari, la gauche, et Navid Sakhavand ont créé des cartes universelles qui prédisent les propriétés des composites plaquettaires naturels et biomimétiques et des empilements synthétiques de matériaux comme le graphène et le nitrure de bore. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
« Il a une structure et une propriété très particulières :il optimise différentes propriétés mécaniques en même temps. dit Sakhavand.
Cependant, l'ingénierie des composites de type nacre a été difficile jusqu'à présent, "principalement à cause de l'absence d'une carte de conception qui puisse révéler les différents liens entre la structure, matériaux et propriétés des matériaux de type nacre, " a déclaré Shahsavari.
Il a déclaré que le travail est une étape importante vers une meilleure capacité à décoder et à répliquer l'architecture de la nacre pour les poids légers, composites hautes performances. Ceux-ci pourraient profiter à l'aérospatiale, industries de l'automobile et de la construction, il a dit.
Une illustration produite par des scientifiques de l'Université Rice compare les propriétés des structures composites sur la base de leurs calculs. Les chercheurs ont créé une carte de conception qui prédit la force, rigidité et ténacité des composites quelle que soit leur taille. Crédit :Shahsavari Group/Rice University
Le travail des chercheurs de Rice a duré trois ans de calculs et d'expérimentations qui ont consisté à cartographier les propriétés de composites naturels comme le collagène et la soie d'araignée ainsi que des empilements synthétiques comme le nitrure de bore/graphène hexagonal et le silumin/alumine. Ils ont également testé leur théorie à l'échelle macro, Composites imprimés en 3D de plastique dur et de caoutchouc souple qui imitent les propriétés qu'ils ont observées dans la nacre.
Une carte de 15 des matériaux qu'ils ont testés montre que les matériaux naturels comme la nacre ont tendance à être solides et résistants, tandis que les synthétiques sont plutôt solides et rigides. Shahsavari a déclaré qu'il espérait que les scientifiques des matériaux utiliseraient les cartes de conception pour donner à leurs composites la meilleure combinaison possible des trois propriétés.
