Aussi léger que possible et aussi solide que possible à la fois :ce sont les exigences des matériaux légers modernes, tels que ceux utilisés dans la construction aéronautique et l'industrie automobile. Une équipe de recherche de Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) et de l'Université de technologie de Hambourg (TUHH) a maintenant développé une nouvelle approche de conception de matériaux pour les futurs matériaux ultralégers :des entretoises métalliques de la taille d'un nanomètre qui forment des réseaux imbriqués à des niveaux hiérarchiques distincts offrent une résistance incroyable.

Le groupe de recherche présente ses conclusions dans le numéro actuel de la revue Science .

Lors de l'inauguration de la Tour Eiffel en 1889, c'était considéré comme une merveille technique. Son agencement astucieux et délicat de grandes et petites poutres en fer a fourni une stabilité extraordinaire, et c'était de loin le bâtiment le plus haut du monde à l'époque. Le terme « hiérarchique » décrit l'approche d'ingénierie d'un réseau ouvert de poutres plus grandes contreventées par des poutres plus petites. Depuis plusieurs années maintenant, les chercheurs en science des matériaux ont tenté de transférer cette approche efficace à la microstructure interne des matériaux, par exemple, en utilisant des imprimantes 3D capables de reproduire des structures en treillis d'ingénierie à l'échelle micrométrique.

Jusque là, les espoirs de créer une nouvelle génération de matériaux de construction légers extrêmement résistants ne se sont pas concrétisés. Une des raisons :« Une imprimante 3D ne peut en imprimer qu'environ 10 au maximum, 000 poutres, et cela prendra des heures, " déclare le professeur Jörg Weißmüller de l'Institut de mécanique des matériaux à HZG, co-auteur de la publication actuelle. "Pour les applications pratiques, ce n'est pas vraiment une option viable."

Corroder l'argent

Néanmoins, son équipe poursuit un objectif encore plus ambitieux :si les faisceaux pouvaient être renforcés en les réduisant à quelques nanomètres de diamètre, ils pourraient servir de base à un nouveau type de matériau, exceptionnellement léger, et en même temps, fort. Cependant, ce genre de matériau devrait contenir des milliards de poutres, dépassant de loin les capacités de l'imprimante la plus sophistiquée. "C'est pourquoi nous devons tromper la nature pour qu'elle fabrique ce genre de matériaux pour nous, simplement par auto-organisation, " Le collègue de Weißmüller, le Dr Shan Shi, auteur principal de l'étude, explique.

Pour commencer, l'équipe a utilisé un alliage de 93% d'argent et 7% d'or. Cet alliage est plongé dans de l'acide sulfurique dilué, dissoudre environ la moitié de l'argent. Par conséquent, le matériel restant se réorganise, formant un délicat réseau de faisceaux nanométriques. Après, le matériau subit un traitement thermique à plusieurs centaines de degrés. "Cela grossit le réseau à une taille de faisceau de 150 nanomètres tout en conservant l'architecture d'origine, " explique Shi.

Lors de la dernière étape, l'acide est utilisé pour laver le reste de l'argent, ne laissant que des faisceaux d'or avec une taille de pores de 15 nanomètres en moyenne. Le résultat est un matériau structuré hiérarchiquement avec deux tailles de faisceau distinctement différentes, un peu comme la Tour Eiffel. En raison de sa structure de réseau ouvert, ce nouveau matériau est composé de 80 à 90 % d'air, ce qui lui confère une densité de seulement 10 à 20 % du métal solide.

Étonnamment léger, incroyablement fort

Le groupe de recherche a ensuite testé les propriétés mécaniques de leurs échantillons millimétriques. « Compte tenu de la faible densité de ce matériau, il montre des valeurs exceptionnellement élevées pour les paramètres mécaniques clés tels que la résistance et le module d'élasticité, " dit Jörg Weißmüller. " Nous avons enlevé une grande partie de la masse et laissé très peu, mais le matériau est beaucoup plus solide que ce qui était l'état de l'art jusqu'à présent. il a dit, démontre pour la première fois qu'une structure hiérarchique peut être bénéfique non seulement pour les structures en treillis d'ingénierie macroscopique telles que la Tour Eiffel, mais aussi pour les matériaux de réseau légers.

Le nouveau matériau n'est pas encore adapté aux applications dans la construction légère - l'or est tout simplement trop cher, trop lourd et trop mou pour cela. Encore, la nouvelle approche de conception de matériaux HZG pourrait éventuellement être transférée à d'autres, des métaux plus pertinents sur le plan technologique comme l'aluminium, magnésium ou titane. Les chercheurs devront alors faire face à un autre défi :jusqu'à présent, ils n'ont pu fabriquer que de petits, échantillons de taille millimétrique. "Mais il semble tout à fait envisageable de fabriquer des fils ou même des tôles entières par notre procédé, " dit Weißmüller. " A ce moment-là, le matériel deviendra intéressant dans des scénarios réels, par exemple, dans de nouveaux concepts de véhicules plus légers et donc plus économes en énergie."