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Des chercheurs conçoivent une nanostructure de carbone plus dure que le diamant

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Cette nanostructure représente la première vérification expérimentale que de tels arrangements atteignent les limites théoriques de résistance et de rigidité dans les matériaux poreux. | Cameron Crook/Jens Bauer/UCI

Des chercheurs de l’Université de Californie à Irvine, ainsi que d’autres institutions, ont conçu des nanolattices en plaques de conception architecturale (soit des structures de carbone de taille nanométrique) possédant un rapport résistance/densité plus élevé que celui du diamant.

Plus précisément, il faut savoir qu’un nanolattice est un matériau poreux synthétique composé d’éléments de taille nanométrique qui sont modelés en une structure de réseau ordonnée, comme un cadre spatial. Les nanolattices sont les plus petites structures de treillis artificielles et une classe de métamatériaux qui tirent leurs propriétés à la fois de leur géométrie (définition générale des métamatériaux) et de la petite taille de leurs éléments. Par conséquent, ils peuvent posséder des propriétés efficaces qui ne se trouvent pas dans la nature et peuvent ne pas être obtenues avec des réseaux à plus grande échelle de même géométrie.

Dans une étude récente, les scientifiques rapportent avoir réussi à conceptualiser et à fabriquer le matériau, qui se compose de plaques à cellules fermées et étroitement connectées (au lieu des faisceaux cylindriques communs dans de telles structures, du moins au cours des dernières décennies).

« Les conceptions précédentes basées sur des faisceaux, bien que d’un grand intérêt, n’avaient pas été aussi efficaces en matière de propriétés mécaniques. Cette nouvelle classe de nanolattices en plaques que nous avons créée est considérablement plus dure et plus rigide que les meilleurs nanoréseaux de faisceau », a déclaré l’auteur correspondant, Jens Bauer, chercheur en génie mécanique et aérospatial à l’UCI.

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Selon l’étude, il a été démontré que la nouvelle conception améliore les performances moyennes des architectures à base de poutres cylindriques jusqu’à 639% en résistance et 522% en rigidité.

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Avec des parois d’une épaisseur d’environ 160 nanomètres, cette structure nanocellulaire à base de plaques a été conçue par des chercheurs de l’UCI et d’autres institutions. Il s’agit de la toute première vérification expérimentale que de tels arrangements atteignent les limites théoriques de résistance et de rigidité dans les matériaux poreux. Crédits : Cameron Crook/Jens Bauer/UCI

Les chercheurs ont vérifié leurs résultats à l’aide d’un microscope électronique à balayage, ainsi que par le biais d’autres technologies fournies par l’Irvine Materials Research Institute. « D’autres chercheurs avaient déjà prédit que les nanolattices disposés selon une conception à base de plaques seraient incroyablement solides », a déclaré l’auteur principal, Cameron Crook, étudiant diplômé de l’UCI en science et ingénierie des matériaux. « Mais la difficulté de fabriquer des structures de cette manière signifiait que la théorie n’avait jamais été prouvée, jusqu’à ce que nous ayons réussi à le faire », a-t-il ajouté.

Bauer a déclaré que la réussite de l’équipe reposait sur un processus complexe d’impression laser 3D appelé écriture laser directe par polymérisation à deux photons (de l’anglais « two-photon polymerization direct laser writing »). Lors de ce processus, un laser est focalisé à l’intérieur d’une gouttelette d’une résine liquide sensible à la lumière ultraviolette, et suite à cela, le matériau devient un polymère solide où les molécules sont simultanément frappées par deux photons. En balayant le laser ou en déplaçant la scène en trois dimensions, la technique permet de générer des arrangements périodiques de cellules, chacune composée d’assemblages de plaques fines de 160 nanomètres.

Un cube de carbone possédant la plus haute résistance jamais pensée pour un tel matériau poreux

L’une des innovations du groupe a été d’inclure de minuscules trous dans les plaques, qui pourraient être utilisés pour éliminer l’excès de résine du matériau fini. Puis, comme dernière étape, les réseaux subissent une pyrolyse (ou thermolyse, un processus de décomposition chimique) dans laquelle ils sont chauffés à 900 degrés Celsius sous vide pendant une heure.

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Selon Bauer, le résultat final est un réseau en forme de cube de carbone vitreux, qui possède la plus haute résistance que les scientifiques n’aient jamais cru possible pour un tel matériau poreux.

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Bauer a également déclaré qu’un autre objectif de l’étude était d’exploiter les effets mécaniques innés des substances de base : « Lorsque vous prenez n’importe quel morceau de matériau et que vous réduisez considérablement sa taille, jusqu’à 100 nanomètres, il s’approche d’un cristal théorique sans pores ni fissures. Mais la réduction de ces défauts augmente la résistance globale du système », a-t-il expliqué.

« Personne n’avait jamais rendu ces structures indépendantes de l’échelle auparavant », a ajouté Valdevit, qui dirige l’Institut de l’UCI pour l’innovation en conception et fabrication. « Nous avons été le premier groupe à valider expérimentalement qu’ils pouvaient fonctionner aussi bien que prévu tout en démontrant un matériau architecturé d’une résistance mécanique sans précédent », a ajouté Valdevit.

En effet, les nanolattices sont très prometteurs pour les ingénieurs en structure, en particulier dans le domaine aérospatial, où les chercheurs espèrent que la combinaison de la résistance et de la faible densité de masse améliorera considérablement les performances des avions et des engins spatiaux.

Source : Nature communications

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