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Des nanocomposites au polystyrène seraient hyperrésistants

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Maîtriser l'élaboration de nanocomposites pourrait offrir d'innombrables possibilités de développement de matériaux aux propriétés uniques. En glissant quelques molécules de polystyrène dans un matériau tenace mais fragile, une équipe de chercheurs, de l'université de Stanford (États-Unis) et d'IBM, a mis au point un nanocomposite plus résistant et plus flexible tout en apportant un éclairage nouveau sur les limites de la ténacité de ce type de matériaux.

Les matériaux composites, dont on voit ici un exemple schématique, sont formés d’au moins deux composants dont les propriétés se complètent. Ils permettent notamment d'alléger certaines structures, comme celles des avions. Les nanocomposites pourraient bien leur succéder ; ils se présentent comme les matériaux du futur. © PerOX, Wikimedia Commons, DP

L'arrivée sur le marché de matériaux composites a permis d'améliorer les performances de nombreux systèmes. Ces matériaux particuliers jouissent en effet de propriétés que leurs constituants élémentaires, pris individuellement, ne possèdent pas. Leur faible masse volumique intéresse tout particulièrement les industriels ; elle permet d'alléger les structures ce qui, dans le secteur des transports, par exemple, entraîne une réduction de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre. La promesse des nanocomposites est encore plus grande. Des chercheurs de l'université de Stanford (États-Unis) et d'IBM proposent aujourd'hui un nouveau modèle permettant d'expliquer la ténacité de tels matériaux et ses limites.

Rappelons qu'un matériau composite est formé d'au moins deux composants, une matrice et un renfort, dont les propriétés se complètent. Sur un modèle semblable, un nanocomposite est un matériau composite dans lequel au moins l'un des deux composants est un nanomatériau, c'est-à-dire, un matériau qui se présente avec des dimensions de l'ordre de quelques nanomètres seulement (1 nm = 10-9 mètre). Les propriétés des matériaux nanocomposites sont encore plus intéressantes que celles de leurs équivalents, simples matériaux composites. Leurs renforts présentent ainsi un rapport surface/volume particulièrement élevé. Ainsi, une faible quantité de renfort peut avoir un réel impact sur les propriétés macroscopique du matériau. À tel point que certains n'hésitent pas à annoncer qu'à l'avenir, il sera possible de concevoir des ailes d'avion aussi légères que du bois de balsa - qui est lui-même plus léger que le liège - mais aussi résistantes que les alliages métalliques les plus tenaces.

Dans leur étude, publiée dans la revue Nature Materials, les ingénieurs américains se sont penchés sur le cas d'une classe bien précise de nanocomposites : des nanocomposites légers, trempés par des molécules individuelles. Leur point de départ : un squelette moléculaire semblable à du verre. Cette matrice pourrait rappeler une éponge, percée de milliards de pores de tailles nanométriques. Mais, contrairement à celles que nous utilisons pour laver notre vaisselle, cette éponge-là est très fragile. Alors, les chercheurs ont essayé de la rendre plus tenace en y injectant de longues molécules linéaires de polystyrène. C'est à ce stade-là du processus que l'équipe a réellement innové.

Des chercheurs de l’université de Stanford et d’IBM ont inséré des chaînes de molécules de polystyrène dans les pores d’une matrice, semblable à du verre, pour rendre le nanocomposite plus résistant et plus flexible. © Dauskardt Lab

Des ponts moléculaires en cas de fissure

Les molécules de polystyrène sont en principe beaucoup trop grandes pour être confinées dans les minuscules pores de la matrice. Alors, les chercheurs américains ont eu l'idée de chauffer les molécules. Pas trop, pour éviter qu'elles ne se brisent, mais juste assez pour qu'elles se diffusent littéralement dans la matrice. Un mécanisme de trempe qui n'avait encore jamais été mis en œuvre et qui a apporté un nouvel éclairage sur la façon dont les matériaux nanocomposites acquièrent leur ténacité ou, en d'autres termes, sur la façon dont ceux-ci résistent à la propagation d'une fissure.

Lorsque le matériau est malmené, les chaînes polymères s'étendent hors des pores dans lesquelles elles étaient confinées et agissent un peu comme des ressorts. Des ressorts que les spécialistes qualifient de « ressorts entropiques » permettant de maintenir la structure du composite. Ce résultat ne bouscule pas les conclusions déjà posées par d'autres équipes qui imaginaient que ces nanocomposites devaient leur ténacité à l'enchevêtrement des chaînes polymères, un peu comme celui des fibres textiles dans un fil.

Cependant, dans le cas du composite mis au point par l'équipe de Stanford et IBM, les molécules de polystyrène étaient, en principe, confinées dans les pores de la matrice, limitant les possibilités d'enchevêtrement. En fait, selon le nouveau modèle proposé par ces chercheurs, de véritables ponts moléculaires se créent en cas de fissure dans la matrice. Des ponts qui permettent de dissiper l'énergie qui mènerait, sans cela, à la rupture mécanique du matériau. La ténacité du nanocomposite dépend, de fait, de la taille des molécules de polymère utilisées et de la façon dont elles sont confinées dans les pores de la matrice. Une information qui pourrait se révéler capitale pour les ingénieurs qui cherchent à élaborer de nouveau matériaux. Comprendre un mécanisme peut en effet aider à en contourner les limites et, pourquoi pas ici, à contrôler la façon dont les polymères interagissent avec les pores de la matrice. De quoi les empêcher de casser et créer une trempe colossale pour inventer le matériau parfait !