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14 Juin, 2024

Un ciment inspiré des coquillages 19 fois plus souple grâce à des « défauts techniques

Un ciment inspiré des coquillages 19 fois plus souple grâce à des « défauts techniques

Un ciment composite très flexible et résistant aux fissures, inspiré de l’architecture des coquilles de mollusques

En s’inspirant du revêtement brillant des coquilles de mollusques, des chercheurs ont créé un ciment composite 19 fois plus souple et 17 fois plus résistant aux fissures que le ciment ordinaire. Ses propriétés pourraient être appliquées à des matériaux céramiques fragiles tels que la porcelaine et le béton.

La nature est connue pour développer des matériaux à la fois légers et résistants en utilisant des matériaux modestes et limités, disposés selon une architecture ingénieuse. Prenons l’exemple de la nacre. Le revêtement intérieur brillant de la coquille de certains mollusques est un composite organique et inorganique composé d’un motif 3D brique et mortier constitué de feuilles de tablettes hexagonales d’aragonite, un minéral dur, collées ensemble par un biopolymère souple et hyper élastique.

Bien que les tablettes d’aragonite soient très fragiles, la souplesse du biopolymère leur permet de glisser en réponse à une contrainte de traction, ce qui fait de la nacre un matériau résistant qui peut se déformer de manière significative avant de se fracturer. Des chercheurs du département d’ingénierie civile et environnementale de l’université de Princeton ont créé un nouveau ciment composite de qualité supérieure en imitant l’architecture de la nacre naturelle.

La nacre naturelle est constituée de feuilles d’aragonite collées ensemble par un biopolymère hyper élastique.

« Cette synergie entre les composants durs et mous est cruciale pour les propriétés mécaniques remarquables de la nacre », explique Shashank Gupta, étudiant diplômé en ingénierie à Princeton et auteur principal de l’étude. « Si nous pouvons concevoir le béton pour qu’il résiste à la propagation des fissures, nous pourrons le rendre plus résistant, plus sûr et plus durable ».

Pour fabriquer leur matériau composite semblable à la nacre, les chercheurs ont créé des pastilles hexagonales à partir de feuilles de pâte de ciment et les ont superposées, séparées par du polyvinyl siloxane (PVS), qui a joué le rôle de biopolymère hyper élastique. La réponse mécanique du composite a ensuite été testée à l’aide de poutres fabriquées à partir du matériau et comparée à des poutres fabriquées avec de la pâte de ciment coulée solide (monolithique).

Les poutres ont été soumises à un essai de flexion trois points (1) (3PB : Three-point bending), au cours duquel une pression vers le bas est exercée au milieu de la poutre et une pression vers le haut à chaque extrémité, afin d’évaluer la résistance aux fissures ou la ténacité à la rupture. Les tests ont montré que les poutres « dures » en pâte de ciment coulée étaient fragiles ; elles se brisaient soudainement et complètement lorsqu’elles atteignaient le point de rupture, car elles n’avaient aucune flexibilité (ductilité). En revanche, les poutres composites à base de nacre présentaient une ductilité 19 fois supérieure et une résistance à la rupture 17,1 fois supérieure à celles des poutres de contrôle, tout en conservant pratiquement la même résistance.

  1. Il représente le cas d’une poutre posée sur deux appuis simples (appuis linéaires rectilignes qui, dans un problème plan, équivalent à une liaison ponctuelle) et soumise à une charge concentrée, appliquée au milieu de la poutre avec elle aussi un contact simple.

Schéma du ciment composite à base de nacre créé par les chercheurs

« Notre approche bio-inspirée ne consiste pas simplement à imiter la microstructure de la nature, mais à tirer des enseignements des principes sous-jacents et à les utiliser pour informer l’ingénierie des matériaux fabriqués par l’homme », a déclaré Reza Moini, directeur du laboratoire Architected Materials and Additive Manufacturing (AM2) à Princeton et auteur correspondant de l’étude.

« L’un des mécanismes clés qui rend une coquille nacrée résistante est le glissement de la tablette au niveau du nanomètre. Ici, nous nous concentrons sur le mécanisme de glissement du comprimé en modifiant la structure tabulaire intégrée de la pâte de ciment en équilibre avec les propriétés du polymère et de l’interface entre les deux. En d’autres termes, nous créons intentionnellement des défauts dans les matériaux fragiles afin de les rendre plus résistants.

Bien entendu, ces résultats ont été obtenus en laboratoire. Les chercheurs prévoient de tester le ciment composite bioinspiré dans des conditions réelles et cherchent à savoir si ses propriétés mécaniques peuvent être utilisées pour accroître la résistance aux fissures d’autres matériaux, tels que le béton et la porcelaine.

« Nous ne faisons qu’effleurer la surface », a déclaré Reza Moini.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202313516

https://engineering.princeton.edu/news/2024/06/11/seashells-cement-nature-inspires-tougher-building-material