À l'avenir, les ailes des jets pourraient être aussi légères que du balsa, encore plus résistant que les alliages métalliques les plus résistants. C'est la promesse des matériaux nanocomposites.

Les nanocomposites sont un véritable exemple de nanotechnologie. Il s'agit d'une classe spéciale de matériaux fabriqués à partir de composants inférieurs à un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Le contrôle de ces composants de taille nanométrique offre d'innombrables possibilités pour développer des matériaux aux propriétés uniques.

Les nanocomposites peuvent être rendus flexibles et résistants, ou résistant à la chaleur et aux produits chimiques. Les matériaux nanocomposites sont conçus pour présenter des propriétés physiques qui dépassent largement les capacités de la somme de leurs composants.

Des chercheurs de Stanford et d'IBM ont testé les limites supérieures de la ténacité mécanique dans une classe de nanocomposites légers renforcés par des molécules individuelles, et a offert un nouveau modèle pour la façon dont ils obtiennent leur ténacité.

Les applications potentielles des nanocomposites recoupent de nombreuses industries, des circuits informatiques au transport en passant par l'athlétisme. Ils pourraient même révolutionner les vols spatiaux grâce à leur capacité à résister aux tensions et aux températures extrêmes.

L'étude a été publiée le 16 novembre dans la revue Matériaux naturels par une équipe d'ingénieurs dirigée par Reinhold Dauskardt, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford, et Géraud Dubois, du centre de recherche Almaden d'IBM. L'étude a été parrainée par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force.

Bienvenue dans la matrice

Le nanocomposite de cette étude a commencé avec un squelette moléculaire semblable à du verre, appelé matrice. A lui seul, la matrice est comme une éponge, entrelacé de milliards de pores de taille nanométrique traversant et parmi sa structure moléculaire.

"Cette éponge n'est pas douce ou malléable comme celles de votre cuisine, cependant, mais très fragile, " Dauskardt a déclaré.

Les chercheurs ont ensuite infusé la matrice avec de longs, molécules de polystyrène en forme de chaîne - le même matériau dans une tasse à café en polystyrène. L'équipe Stanford/IBM s'est écartée des conventions dans la manière dont elle a diffusé le polymère dans la matrice.

"Nous avons pris ces molécules extrêmement grosses, de nombreux, plusieurs fois plus gros que les pores eux-mêmes, et les a confinés dans ces espaces minuscules, " Dauskardt a déclaré. "C'était assez spécial. Typiquement, si vous chauffez trop ces molécules elles se cassent, mais nous avons trouvé comment les chauffer juste assez pour qu'ils se diffusent uniformément dans la matrice."

Ponts moléculaires

Dans le journal, l'équipe décrit un mécanisme de durcissement jusqu'alors inconnu qui s'écarte de la compréhension existante de la façon dont les composites obtiennent leur ténacité, une qualité définie comme la capacité de résister à la rupture.

En tant que coudes composites, rebondissements et étirements, les polymères longs sont tirés hors des limites des pores, s'étendant au fur et à mesure.

"Les molécules agissent comme un type spécial de ressort - ce que les ingénieurs appelleraient des "ressorts entropiques" - pour maintenir le composite ensemble, " Dauskardt a déclaré.

Les découvertes ne bouleversent pas tant les théories existantes qu'elles les élargissent. La compréhension conventionnelle était que les longs polymères s'emmêlent les uns aux autres pour fournir de la ténacité, similaire à la façon dont les fibres enchevêtrées d'un fil fournissent une résistance à la traction.

Dans le composite Stanford/IBM, cependant, les molécules de polymère sont dispersées et entourées par les parois des pores, prévenir et limiter l'effet d'enchevêtrement. Il devait y avoir une autre explication à l'effet de durcissement, menant à la nouvelle théorie de l'équipe du durcissement induit par le confinement.

« Dans notre modèle, les segments de polymère franchissent les fractures potentielles, collé à l'intérieur des pores de la matrice pour maintenir le matériau ensemble, " Dauskardt a dit. " Si une fissure devait se propager, les chaînes confinées sortent des pores et, collectivement, allonger par de grandes quantités pour dissiper l'énergie qui autrement briserait le matériau."

Le prendre à la limite

La quantité de durcissement dépend de la taille moléculaire du polymère utilisé dans le nanocomposite et de la façon dont les molécules sont confinées dans les pores. Finalement, cependant, comme toutes choses, il y a des limites à leur ténacité.

"Nous avons montré qu'il existe une limite fondamentale que ces molécules finissent par atteindre avant de se briser, qui dépend de la force des molécules individuelles elles-mêmes, " Dauskardt a déclaré.

Connaissant de telles limites, il a dit, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."