Les araignées tissent des toiles légères et solides pour attraper leurs proies. Les chercheurs de NTNU ont imité les parties les plus résistantes de la toile, les rayons et le bord extérieur, pour créer un nouveau matériau aux propriétés potentiellement utiles.
Les chercheurs de NTNU ont développé un nouvel élastomère d’une rigidité et d’une ténacité sans précédent, inspiré de la soie d’araignée.
Inspirés par la soie d’araignée extrêmement résistante, des chercheurs de l’Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) ont développé un nouveau matériau qui défie les compromis déjà vus entre la ténacité et la rigidité.
Le matériau est un type de polymère connu sous le nom d’élastomère car il a une élasticité semblable à celle du caoutchouc. L’élastomère nouvellement développé comporte des molécules qui ont huit liaisons hydrogène dans une unité de répétition, et ce sont ces liaisons qui aident à répartir uniformément les contraintes exercées sur le matériau et à le rendre si durable.
“Les huit liaisons hydrogène sont à l’origine des propriétés mécaniques extraordinaires”, explique Zhiliang Zhang, professeur de mécanique et de matériaux au département d’ingénierie structurelle de NTNU. Le matériau a été développé au NTNU NanoLab et partiellement financé par le Conseil de recherche de Norvège.
Substance rigide et résistante
L’idée d’introduire un nombre plus élevé que d’habitude de liaisons hydrogène est venue de la nature. “La soie d’araignée contient le même type de structure”, explique Yizhi Zhuo, qui a développé le nouveau matériau dans le cadre de son doctorat et de son travail postdoctoral. « Nous savions que cela pouvait donner lieu à des propriétés très spéciales. »
Les chercheurs ont examiné l’interface entre les domaines dur et mou à l’aide d’un microscope particulièrement puissant appelé microscope à force atomique. Crédit : Zhang et al (2021)
Les scientifiques ont déjà noté que la soie d’araignée – en particulier la soie de dragline, qui fournit les rayons et le bord extérieur d’une toile d’araignée – est à la fois exceptionnellement rigide et résistante.
La rigidité et la ténacité sont des propriétés distinctes en ingénierie et sont souvent en opposition. Les matériaux rigides peuvent supporter beaucoup de contraintes avant de se déformer, tandis que les matériaux durs peuvent absorber beaucoup d’énergie avant de se briser. Le verre, par exemple, est rigide mais pas dur.
Plus grande ténacité
Jusqu’à présent, il n’était pas possible de reproduire la double rigidité et ténacité de la soie d’araignée dans des élastomères synthétiques. « Avec des matériaux commerciaux, si vous voulez avoir une rigidité plus élevée, vous avez une ténacité plus faible. C’est un compromis. Vous ne pouvez pas avoir les deux », dit Zhang.
Les domaines durs (illustrés ici dans
orange) empêche les fissures de
se propageant à travers la matière. Crédit : Zhang et al (2021)
Le nouvel élastomère de l’équipe présente des domaines durs et mous distincts. Après l’avoir conçu et fabriqué, l’équipe a utilisé un microscope à force atomique – avec une résolution de fractions de nanomètre – pour examiner la structure sous-jacente du matériau et observer l’interface entre les régions dures et molles.
Ils ont vu qu’en plus des huit liaisons hydrogène distribuant les contraintes, le décalage de rigidité entre les domaines durs et mous aidait à dissiper davantage l’énergie en encourageant les fissures à se ramifier au lieu de continuer le long d’un chemin rectiligne. “Si vous avez un zigzag, vous créez une grande surface de fracture et dissiperez plus d’énergie, vous avez donc une ténacité plus élevée”, explique Zhang.
Zhiliang Zhang, professeur de mécanique et de matériaux au département d’ingénierie structurelle de NTNU. Crédit : Jianying He
Un avenir dans l’électronique flexible ?
Outre ses propriétés mécaniques, le matériau est optiquement transparent et les recherches suggèrent qu’il pourrait même s’auto-réparer à des températures supérieures à 80 °C. Si la production peut être augmentée, le nouveau matériau pourrait un jour être utilisé dans l’électronique flexible – en particulier les appareils portables qui sont plus sujets aux dommages et aux ruptures.
Zhang et ses collègues ont déposé un brevet pour leur matériau en mars, mais ils continuent de travailler sur l’introduction d’autres propriétés souhaitables. Les domaines mous de leur matériau sont constitués d’un polymère à base de silicium connu sous le nom de PDMS, mais les chercheurs pensent qu’ils pourraient encore améliorer les propriétés mécaniques en expérimentant avec d’autres substances.
Ils aimeraient également étendre les propriétés du matériau pour inclure l’antigivrage – empêchant la glace de s’y coller à basse température – et anti-fouling – empêchant les organismes aquatiques comme les moules et les algues de s’y attacher – afin qu’il puisse être utilisé dans des conditions extrêmes, telles que comme l’Arctique. « Ce matériau est un bon point de départ, mais nous souhaitons ajouter d’autres fonctionnalités », explique Zhang.
Référence : « Élastomères à durcissement et à renforcement simultanés avec liaison hydrogène octuple » par Yizhi Zhuo, Zhijie Xia, Yuan Qi, Takashi Sumigawa, Jianyang Wu, Petr Šesták, Yinan Lu, Verner Håkonsen, Tong Li, Feng Wang, Wei Chen, Senbo Xiao, Rong Long, Takayuki Kitamura, Liangbin Li, Jianying He et Zhiliang Zhang, 3 mai 2021, Matériaux avancés.
DOI : 10.1002/adma.202008523
La recherche a été financée par le Research Council of Norway numéros de subvention 255507 et 245963.
