Le Dr Amir Asadi, professeur adjoint au Département de technologie de l'ingénierie et de distribution industrielle de la Texas A&M University, fait des progrès révolutionnaires dans le domaine des matériaux composites. Ses recherches explorent l'intégration de nanostructures à motifs composées de plusieurs matériaux dans des composites haute performance pour obtenir la multifonctionnalité souhaitée sans sacrifier aucune autre propriété. Cela pourrait conduire à des progrès dans divers domaines, notamment l'électronique, le stockage d'énergie, les transports et les produits de consommation.
Les travaux d'Asadi ont des implications significatives, car ils relèvent le défi consistant à améliorer simultanément deux propriétés (la multifonctionnalité et l'intégrité structurelle) des matériaux composites, constitués d'au moins deux matériaux aux propriétés différentes. En incorporant des nanostructures à motifs, il vise à surmonter le compromis généralement observé entre ces propriétés, éliminant ainsi le besoin de sacrifier l’une pour améliorer l’autre dans les méthodes de fabrication actuelles. Les travaux sont publiés dans la revue Advanced Materials .
Il explique :"Actuellement, fabriquer des matériaux avec une fonctionnalité et des performances structurelles simultanément maximisées est considéré comme paradoxal. Par exemple, l'augmentation de la conductivité électrique réduit souvent la résistance ou vice versa ; l'augmentation de la résistance diminue généralement la ténacité à la rupture."
Cependant, Asadi s'inspire de structures naturelles, comme la trompe d'éléphant, qui possède des propriétés et des fonctionnalités apparemment incompatibles.
"Des structures naturelles aux propriétés considérées comme incompatibles avec l'ingénierie actuelle existent déjà, comme une trompe d'éléphant qui est à la fois rigide et solide mais aussi flexible et délicate pour manipuler de petits légumes tout en ayant des fonctionnalités de communication et de détection, le tout découlant de son architecture d'hydrostats musculaires."
L’équipe de recherche a utilisé une méthode unique pour ajuster la mesure dans laquelle un matériau absorbe ou repousse l’eau, connue sous le nom de degré d’amphiphilie, dans plusieurs nanomatériaux. À l'aide de ces matériaux, ils ont créé et combiné des motifs spécifiques appelés motifs en anneaux et en disques, qui régissent les propriétés finales des matériaux composites.
Pour ce faire, ils ont utilisé un système de pulvérisation précis de dioxyde de carbone (CO2 ) pour déposer les motifs à la surface des fibres de carbone. Cela leur a permis de contrôler la taille des gouttelettes, les motifs à l'échelle microscopique et les interactions des matériaux, pour finalement obtenir les propriétés souhaitées. Dans cette étude, des gouttelettes d'eau ont transporté les nanomatériaux à la surface des fibres de carbone à l'aide du système de pulvérisation.
"Nous avons développé une nouvelle technique de pulvérisation, appelée CO2 supercritique. atomisation assistée, qui exploite les propriétés du CO2 supercritique et sa forte dissolution dans l'eau qui peut créer plusieurs petites gouttelettes à l'intérieur d'une suspension composée d'eau et de nanomatériaux », a déclaré le Dr Dorrin Jarrahbashi, co-auteur de l'article du journal du groupe, « Multifonctionnalité grâce à l'intégration de nanostructures à motifs dans des composites haute performance ».
"Contrairement aux approches conventionnelles dans lesquelles des matériaux présentant les propriétés intrinsèques souhaitées sont intégrés pour ajouter des fonctionnalités, cette recherche introduit le concept d'intégration de nanomotifs et montre que différents modèles issus du même matériau conduiront à des propriétés différentes dans les composites à l'échelle macro", a déclaré Asadi. "Si l'objectif est l'amélioration simultanée de la fonctionnalité et des propriétés structurelles, les modèles peuvent être combinés et améliorer de manière synergique toutes les propriétés souhaitées."
L’approche d’Asadi présente divers avantages. Il offre une méthode pratique, évolutive et économiquement viable pour créer des matériaux et des composants nanostructurés aux propriétés réglables. L'utilisation de divers matériaux et un contrôle précis de l'architecture à plusieurs échelles de longueur améliorent la polyvalence et le potentiel de personnalisation des composites.
À mesure que la recherche progresse, les travaux d'Asadi révolutionneront probablement la fabrication de composites haute performance.
L’impact potentiel de cette recherche s’étend au-delà de la communauté scientifique. "La recherche est prometteuse et aura un impact sur des vies", a déclaré Asadi. "La technique simple mais évolutive introduite réduira le coût final des dispositifs complexes et élargira la fabrication de composites nanostructurés, contribuant ainsi à l'économie et au marché du travail des États-Unis. Cela pourrait aboutir à des dispositifs améliorés, des systèmes énergétiques plus efficaces et des produits innovants qui améliorent vie quotidienne."
Plus d'informations : Ozge Kaynan et al, Multifonctionnalité grâce à l'intégration de nanostructures à motifs dans des composites haute performance, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202300948
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Université A&M du Texas
