Des chercheurs de l'Université du Maryland ont récemment découvert que le papier fait de fibres de cellulose est d'autant plus résistant et résistant que les fibres sont petites. Pendant longtemps, les ingénieurs ont recherché un matériau à la fois solide (résistant aux déformations irrécupérables) et résistant (tolérant aux dommages).

"La force et la ténacité sont souvent exclusives l'une de l'autre, " dit Teng Li, professeur agrégé de génie mécanique à l'UMD. "Par exemple, un matériau plus résistant a tendance à être cassant, comme la fonte ou le diamant."

L'équipe UMD a poursuivi le développement d'un matériau solide et résistant en explorant les propriétés mécaniques de la cellulose, la bio-ressource renouvelable la plus abondante sur Terre. Les chercheurs ont fabriqué des papiers avec plusieurs tailles de fibres de cellulose - toutes trop petites pour que l'œil puisse les voir - allant d'environ 30 micromètres à 10 nanomètres. Le papier fait de fibres de 10 nanomètres d'épaisseur était 40 fois plus résistant et 130 fois plus résistant que le papier de cahier ordinaire, qui est fait de fibres de cellulose mille fois plus grosses.

"Ces découvertes pourraient conduire à une nouvelle classe de matériaux d'ingénierie de haute performance qui sont à la fois solides et résistants, un Saint Graal dans la conception des matériaux, " dit Li.

Les matériaux à base de cellulose hautes performances mais légers pourraient un jour remplacer les matériaux structurels conventionnels (c'est-à-dire les métaux) dans les applications où le poids est important. Cela pourrait conduire, par exemple, à des véhicules plus écoénergétiques et « verts ». En outre, les membres de l'équipe disent, le nanopapier de cellulose transparent peut devenir réalisable comme substrat fonctionnel dans l'électronique flexible, résultant en une électronique papier, des cellules solaires imprimables et des écrans flexibles qui pourraient changer radicalement de nombreux aspects de la vie quotidienne.

Les fibres de cellulose peuvent facilement former de nombreuses liaisons hydrogène. Une fois cassé, les liaisons hydrogène peuvent se reformer d'elles-mêmes, donnant au matériau une qualité « d'auto-guérison ». L'UMD a découvert que plus les fibres de cellulose sont petites, plus il y a de liaisons hydrogène par surface carrée. Cela signifie que le papier composé de très petites fibres peut à la fois mieux se tenir ensemble et se reformer plus rapidement, qui est la clé pour que le nanopapier de cellulose soit à la fois solide et résistant.

« Il est utile de savoir pourquoi le nanopapier de cellulose est à la fois solide et résistant, surtout lorsque la raison sous-jacente est également applicable à de nombreux autres matériaux, " dit Liangbing Hu, professeur assistant en science des matériaux à l'UMD.

Confirmer, les chercheurs ont tenté une expérience similaire en utilisant des nanotubes de carbone de taille similaire aux fibres de cellulose. Les nanotubes de carbone avaient des liaisons beaucoup plus faibles qui les maintenaient ensemble, donc sous tension, ils ne tenaient pas aussi bien. Le papier fait de nanotubes de carbone est faible, bien qu'individuellement, les nanotubes soient sans doute le matériau le plus résistant jamais fabriqué.

Une orientation future possible pour la recherche est l'amélioration des performances mécaniques du papier à nanotubes de carbone.

"Le papier fait d'un réseau de nanotubes de carbone est beaucoup plus faible que prévu, " dit Li. " En effet, Cela a été un grand défi de traduire les superbes propriétés des nanotubes de carbone à l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. Les résultats de nos recherches ont mis en lumière une approche viable pour relever ce défi et obtenir un papier à nanotubes de carbone à la fois solide et résistant. »