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Du verre 200 fois plus tenace inspiré des coquillages

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En observant les microfissures présentes dans la nacre, des chercheurs canadiens ont mis au point un verre bioinspiré qui résiste bien mieux aux fissures qu'un verre ordinaire. La démarche fonctionnerait aussi pour d'autres matériaux fragiles, comme les céramiques ou certains polymères.

Le verre casse facilement. Un jour, ce ne sera peut-être plus le cas : des chercheurs ont réussi à rendre du verre plus résistant en y créant des microfissures. © Jef Poskanzer, Flickr, cc by sa 2.0

Mère Nature est bonne conseillère. Après les combinaisons de natation ou encore les adhésifs, voilà que les verres pourraient profiter des travaux menés en biomimétique. C'est ce que suggère une équipe de chercheurs menée par François Barthelat à l'université McGill (Montréal, Canada). Dans la revue Nature Communications, ils expliquent la manière d'augmenter d'environ 200 fois la ténacité du verre (sa capacité à résister à la propagation d'une fissure) pour en finir avec sa réputation de matériau cassant et fragile.

« Les coquilles de mollusques sont composées à 95 % de carbonate de calcium, un matériau très friable dans sa forme pure, explique François Barthelat, chercheur à l'université McGill. Mais la nacre qui recouvre l'intérieur de certaines coquilles affiche de minuscules tablettes qui sont comme des blocs Lego. La nacre est connue pour sa dureté et sa ténacité, et c'est la raison pour laquelle sa structure est étudiée depuis deux décennies. » En effet, les dents, comme la nacre, présentent une combinaison de raideur (résistance à la déformation) et de ténacité sans équivalent dans les matériaux synthétiques.

Par le passé, la production de nacre synthétique s'est avérée plus complexe que prévu. Pour François Barthelat, cela revient à « essayer de construire un mur avec des Lego microscopiques ». Le chercheur et ses collègues ont préféré une autre approche, et ont étudié les faiblesses internes de la nacre, en forme de fissures, ainsi que la structure des arêtes de ce matériau. Ils ont ensuite gravé des structures similaires au laser dans des lamelles de verre, comme celles utilisées pour observer des échantillons au microscope optique. Les résultats ont dépassé leurs espérances.

Les chercheurs de l'université McGill se sont tournés vers la nature et les structures de craie retrouvées chez les coquillages pour trouver un moyen de durcir le verre, matériau cassant par excellence. © François Barthelat

Des microfissures dans le verre pour mieux digérer... les fissures

Par ce procédé, ils ont obtenu une ténacité 200 fois supérieure à celle des lamelles de verre standard. L'ingrédient magique est la forme des microfissures qui ont été gravées, avec un motif en pièces de puzzle aux bords formés de vaguelettes, à la surface du verre borosilicate. Ainsi, ils pouvaient empêcher une fissure de grandir et de se propager. Dans un deuxième temps, les chercheurs ont comblé les microfissures gravées avec du polyuréthane. Mais comme le confie François Barthelat, cette mesure n'est pas indispensable.

D'où vient le choix des lamelles de microscope, plutôt que du verre de vitre ou celui qui constitue certains récipients ? C'est le support qui est venu à l'esprit (de laboratoire) des chercheurs. Peu importe finalement : ils affirment que leur découverte peut être adaptée à toute taille de verre. « Nous avons choisi de nous occuper du cas du verre parce que nous voulions travailler avec un matériau fragile archétypal. Mais nous avons prévu de travailler sur les céramiques et les polymères. »

« Maintenant, nous savons que nous pouvons rendre plus tenaces le verre et d'autres matériaux en utilisant des motifs de microfissures pour guider les fissures macroscopiques, et en même temps absorber l'énergie d'un impact », se réjouit François Barthelat. Ce travail le montre : la physique, étymologiquement le savoir de la nature, mérite bien son nom. « L'observation de la nature peut clairement amener des améliorations aux designs inventés par l'Homme. »

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