Nacre artificielle sur mesure

La nacre naturelle, telle qu'elle se forme par exemple dans les coquillages, est l'un des matériaux naturels les plus durs, les plus stables et les plus rigides ; les chercheurs en sont fascinés depuis toujours. La structure de la nacre n'est même pas si complexe : au microscope électronique, elle ressemble à un mur de briques miniature dont les joints sont remplis de mortier. Les briques sont de minuscules plaquettes de calcaire empilées les unes sur les autres et reliées par un pont. Le mortier est une substance organique.

Des chercheurs de l'ETH du groupe Matériaux complexes, dirigé par André Studart, étudient et imitent cette structure. Les scientifiques des matériaux utilisent pour cela un procédé spécial qu'ils ont développé pour créer de tels matériaux ressemblant à de la nacre.

Ainsi, au lieu de plaquettes de calcaire, ils utilisent des plaquettes d'oxyde d'aluminium de quelques dizaines de micromètres disponibles dans le commerce, et une résine époxy fait office de mastic pour les joints. Dans un champ magnétique rotatif, les chercheurs orientent les plaquettes magnétisées réparties dans une solution aqueuse dans la direction souhaitée et, sous haute pression et à des températures d'environ 1000 degrés Celsius, ils solidifient le matériau en y ajoutant la résine. Il en résulte un matériau composite avec une microstructure similaire à celle de la nacre naturelle.

Les ponts en oxyde métallique renforcent les matériaux

Pour rendre la nacre artificielle encore plus stable et plus dure, l'équipe a désormais utilisé des plaquettes d'oxyde d'aluminium recouvertes d'oxyde de titane. ? partir d'environ 800 degrés Celsius, des gouttelettes d'oxyde de titane se forment à la surface des plaquettes et m?rissent pour former des ponts de liaison minéraux, renfor?ant ainsi l'ensemble de la structure. "Ces ponts ont une influence déterminante sur la résistance du matériau", explique Kunal Masania, co-auteur d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue scientifique page externePNAS est paru.

La densité de ces ponts en titane peut être ajustée avec précision à une pression et à une température données, ce qui permet d'obtenir une nacre artificielle présentant les caractéristiques souhaitées, telles qu'une rigidité, une épaisseur et une résistance à la rupture données. ? l'aide d'un modèle et d'expériences, les chercheurs ont calculé quelles conditions de pression et de température favorisent la formation de ces propriétés, qui sont comparables à la rigidité des matériaux composites à base de fibres de carbone. L'équipe a réussi à établir un nouveau record mondial pour la combinaison de la rigidité, de la dureté et de la résistance à la fissuration dans cette catégorie de matériaux bio-inspirés.

La nouvelle technique développée permet de produire des matériaux semblables à la nacre, qui présentent des propriétés sur mesure pour l'application concernée. Les applications envisageables sont par exemple la construction aéronautique, l'aérospatiale ou le b?timent.