De nouvelles fibres ultrafines créées par l'équipe du MIT sont vues dans une image au microscope électronique à balayage (MEB). Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Des chercheurs du MIT ont mis au point un procédé permettant de produire des fibres ultrafines, dont le diamètre se mesure en nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, qui sont exceptionnellement solides et résistants. Ces fibres, qui doit être peu coûteux et facile à produire, pourraient être des matériaux de choix pour de nombreuses applications, tels que les armures de protection et les nanocomposites.
Le nouveau procédé, appelé électrofilage de gel, est décrit dans un article du professeur de génie chimique du MIT Gregory Rutledge et du postdoctorant Jay Park. L'article paraît en ligne et sera publié dans l'édition de février du Journal de la science des matériaux .
En science des matériaux, Rutledge explique, "il y a beaucoup de compromis." En règle générale, les chercheurs peuvent améliorer une caractéristique d'un matériau, mais constateront une diminution d'une caractéristique différente. « La force et la ténacité sont une paire comme ça :généralement, lorsque vous obtenez une force élevée, tu perds quelque chose dans la ténacité, " dit-il. " Le matériau devient plus cassant et n'a donc pas le mécanisme pour absorber l'énergie, et il a tendance à se casser. » Mais dans les fibres fabriquées par le nouveau procédé, bon nombre de ces compromis sont éliminés.
"C'est un gros problème lorsque vous obtenez un matériau qui a une très haute résistance et une grande ténacité, " dit Rutledge. C'est le cas avec ce processus, qui utilise une variante d'une méthode traditionnelle appelée filature de gel mais ajoute des forces électriques. Les résultats sont des fibres ultrafines de polyéthylène qui correspondent ou dépassent les propriétés de certains des matériaux fibreux les plus résistants, comme le Kevlar et le Dyneema, qui sont utilisés pour des applications, y compris les gilets pare-balles.
"Nous avons commencé avec une mission de fabriquer des fibres dans une gamme de tailles différentes, à savoir inférieur à 1 micron [millionième de mètre], parce que ceux-ci ont une variété de fonctionnalités intéressantes à part entière, " dit Rutledge. " Et nous avons examiné ces fibres ultrafines, parfois appelées nanofibres, pendant de nombreuses années. Mais il n'y avait rien dans ce qu'on appellerait la gamme de fibres hautes performances. » Fibres hautes performances, qui comprennent des aramides tels que le Kevlar, et des polyéthylènes filés en gel comme Dyneema et Spectra, sont également utilisés dans les cordes pour des usages extrêmes, et comme fibres de renforcement dans certains composites haute performance.
"Il n'y a pas eu beaucoup de nouveautés dans ce domaine depuis de nombreuses années, car ils ont des fibres très performantes dans cet espace mécanique, " dit Rutledge. Mais ce nouveau matériau, il dit, dépasse tous les autres. "Ce qui les distingue vraiment, c'est ce que nous appelons module spécifique et résistance spécifique, ce qui signifie que sur une base de poids, ils surpassent à peu près tout. » Le module fait référence à la rigidité d'une fibre, ou combien il résiste à l'étirement.
Un schéma du dispositif utilisé pour produire les fibres montre une seringue chauffée (à gauche) à travers laquelle la solution est extrudée, et une chambre (à droite) où les brins sont soumis à un champ électrique qui les transforme en fibres de polyéthylène les plus performantes jamais fabriquées. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Par rapport aux fibres de carbone et aux fibres céramiques, qui sont largement utilisés dans les matériaux composites, les nouvelles fibres de polyéthylène gel-électrofilées ont des degrés de résistance similaires mais sont beaucoup plus résistantes et ont une densité plus faible. Cela veut dire que, livre pour livre, ils surpassent largement les matériaux standards, dit Rutledge.
En créant ce matériau ultrafin, l'équipe avait juste cherché à faire correspondre les propriétés des microfibres existantes, "Alors démontrer cela aurait été une belle réalisation pour nous, " dit Rutledge. En fait, le matériel s'est avéré être meilleur de manière significative. Alors que les matériaux d'essai avaient un module pas tout à fait aussi bon que les meilleures fibres existantes, ils étaient assez proches - assez pour être "compétitifs, " dit-il. il ajoute, "les résistances sont environ deux fois supérieures à celles des matériaux commerciaux et comparables aux meilleurs matériaux académiques disponibles. Et leur résistance est d'un ordre de grandeur supérieure."
Les chercheurs étudient toujours ce qui explique cette performance impressionnante. "Cela semble être quelque chose que nous avons reçu en cadeau, avec la réduction de la taille des fibres, qu'on ne s'attendait pas, " dit Rutledge.
Il explique que « la plupart des plastiques sont durs, mais ils ne sont pas aussi rigides et solides que ce que nous obtenons. » Et les fibres de verre sont rigides mais pas très solides, tandis que le fil d'acier est solide mais pas très rigide. Les nouvelles fibres gel-électrofilées semblent combiner les qualités souhaitables de résistance, raideur, et la ténacité d'une manière qui a peu d'égaux.
L'utilisation du processus d'électrofilage de gel "est essentiellement très similaire au processus conventionnel [de filage de gel] en termes de matériaux que nous apportons, mais parce que nous utilisons des forces électriques" et que nous utilisons un processus en une seule étape plutôt que les multiples étapes du processus conventionnel, "nous obtenons des fibres beaucoup plus fortement étirées, " avec des diamètres de quelques centaines de nanomètres au lieu des 15 micromètres habituels, il dit. Le procédé des chercheurs combine l'utilisation d'un gel polymère comme matière première, comme dans les fibres filées en gel, mais utilise des forces électriques plutôt qu'une traction mécanique pour extraire les fibres ; les fibres chargées induisent un processus d'instabilité de « fouettage » qui produit leurs dimensions ultrafines. Et ces dimensions étroites, il s'avère, conduit aux propriétés uniques des fibres.
Ces résultats pourraient conduire à des matériaux de protection aussi résistants que ceux existants mais moins volumineux, les rendant plus pratiques. Et, Rutledge ajoute, "Ils peuvent avoir des applications auxquelles nous n'avons pas encore pensé, parce que nous venons d'apprendre qu'ils ont ce niveau de résistance."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
