Les matériaux fabriqués par l’homme sont toujours accompagnés d’un processus de prise. Prenons le béton. Il est incroyablement solide, capable de supporter des charges incroyables qui nous permettent de construire de grands bâtiments et même des gratte-ciel. Mais en même temps, c’est aussi très fragile, c’est pourquoi il ne faut rien de plus qu’un hiver du Midwest pour ouvrir une fissure massive dans un trottoir.

Mais maintenant, des chercheurs de Purdue et de l’Université de Californie Riverside ont découvert une façon prometteuse de rendre le béton plus résistant, ainsi que des véhicules, des casques et même des batteries plus durables.

C’est un matériau inspiré de milliards d’années d’évolution qui a créé la micro-architecture cachée à l’intérieur des coquilles de crustacés.

« Chaque fois que nous allons au laboratoire et que nous fabriquons du matériel, nous faisons un mauvais travail. Nous augmentons une propriété au détriment d’une autre « , explique Pablo Zavattieri, professeur à l’École de génie civil de Lyles. « [Au lieu de cela] nous travaillons sur l’un des principaux principes de conception dans la nature, comment augmenter une propriété matérielle sans sacrifier les autres de manière significative. »

Au cours de la dernière décennie, Zavattieri a collaboré avec David Kisailus, professeur à l’Université de Californie Riverside, étudiant comment la biologie des créatures vivantes a construit certains des matériaux les plus impressionnants de la Terre. Au départ, l’équipe étudiait les coquillages – fabriqués en grande partie à partir de carbonate de calcium (tout comme nos os), ils avaient des propriétés matérielles impressionnantes. Mais ensuite, l’équipe a trouvé quelque chose d’encore mieux.
« En fait, alors que nous étudiions les coquilles, nous avons trouvé cet animal, Stomatopoda  [la crevette mante] qui peut en fait perforer et briser les coquilles avec son appendice marteau « , dit Zavattieri. « Si le marteau peut ouvrir ces obus, on devrait étudier le marteau. »

Les chercheurs ont appris que les exosquelettes des crustacés comme les crevettes, les crabes et les homards n’ont pas de composition chimique spéciale pour devenir aussi forts qu’ils le sont. Au lieu de cela, ils ont des microstructures uniques – couche sur couche de filaments qui s’étendent tous dans une seule direction – avec une légère rotation de chaque couche suivante. Empilées, les couches « hélicoïdales » ressemblent à un escalier en colimaçon.

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Les ingénieurs mécaniciens utilisent déjà des filaments internes pour augmenter la résistance des matériaux fabriqués par l’homme, qu’il s’agisse de la « fibre », en fibre de carbone ou de la barre d’armature, en béton, nous avons déjà développé une approche similaire pour les crustacés. Mais ce qui est différent dans le cas de ces exosquelettes, c’est qu’ils comportent des couches de filaments en rotation. Les composites fabriqués par l’homme n’ont généralement que leurs filaments qui s’étendent dans une seule direction sur l’ensemble du matériau.


À leur tour, ces matériaux à base de crevettes se fissurent différemment. Lorsque le béton, la fibre de carbone ou le verre se fissurent, les fissures sont massives et catastrophiques. Mais en ajoutant des structures hélicoïdales, les fissures sont essentiellement retenues et ne vont pas se propager.

« Ce que fait cette architecture, au lieu de créer une seule grande fissure, elle créera de nombreuses fissures de niveau nanométrique ou micrométrique « , explique Zavattieri. Ces fissures créent ce que les scientifiques appellent une « défaillance gracieuse« , ou des dommages microscopiques qui peuvent absorber les impacts sans créer de défaillance structurelle au niveau du système.

Pour les matériaux intrinsèquement fragiles comme le béton – ou ce que Zavattieri appelle  » juste des roches avec de la colle de ciment  » – les structures hélicoïdales pourraient changer complètement les limites connues du matériau. Quand on demande à Zavattieri si nous pourrions avoir du béton qui ne craque pas, il répond  » oui, je peux imaginer ça « , bien qu’au minimum, les bâtiments du futur pourraient être beaucoup plus résistants aux tremblements de terre.


Le béton est particulièrement prometteur, en partie parce que vous n’auriez pas à ajouter quoi que ce soit au mélange. Au lieu de cela, les imprimantes 3D pourraient transformer le béton en micro spirales, ce qui rendrait le matériau plus résistant par nature. « Dans un autre de mes projets, nous imprimons du béton en 3D « , dit Zavattieri. « On pourrait imprimer en 3D avec ce design. »

Pendant ce temps, la partie californienne de l’équipe de recherche ne fait qu’expérimenter l’application des principes hélicoïdaux aux matériaux que nous utilisons actuellement. De meilleurs casques, des composants pour les automobiles et des batteries sont en cours d’élaboration. Les piles sont un excellent exemple d’usure que nous ne voyons même pas. Elles se décomposent chaque fois qu’elles sont rechargées et déchargées, car les produits chimiques à l’intérieur déchirent les barrières mécaniques à l’intérieur. Les structures hélicoïdales pourraient aider les batteries à être plus résistantes et à durer plus longtemps à l’échelle.

Au-delà de tout cas d’utilisation unique, cependant, ces structures hélicoïdales sont prometteuses en raison de l’ampleur de leur impact. Ce n’est pas une théorie impossible à construire, mais quelque chose que nous pouvons déjà prototyper aujourd’hui. « La bonne nouvelle, c’est que nous pouvons maintenant fabriquer ces matériaux. Et nous pouvons utiliser la technologie des composites traditionnels pour réaliser ces conceptions « , explique M. Zavattieri. « Nous comprenons cela, et nous pouvons l’appliquer à beaucoup d’autres cas. »

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