Un corps réagit à la traction ou la pression en fonction de ses structures internes. À Erlangen, des chercheurs allemands les ont modifiées pendant longtemps, jusqu’à ce qu’ils découvrent des matériaux inédits.
L’expérience montre que plus on tire sur une bande élastique avec force, plus elle s’affine. D’autres matériaux réagissent complètement différemment. Ils s’élargissent lorsque l’on tire dessus et rétrécissent lorsqu’on les comprime.
Ce comportement, si différent de ce que l’on observe dans la vie quotidienne, rend les matériaux dits auxétiques intéressants. Ils peuvent absorber une grande quantité d’énergie et présentent un excellent pouvoir d’amortissement qui sont des caractéristiques recherchées pour les amortisseurs antichocs et anti-vibrations. Ils peuvent également servir de matériau de substitution pour les os et à la fabrication d’implants.
Les matériaux auxétiques possèdent un coefficient de Poisson négatif qui explique leurs particularités physiques. Cette valeur mécanique, relative à la force des matériaux, décrit le comportement d’un corps sous l’effet d’une force de traction ou de compression. Le liège, par exemple, a un coefficient de Poisson presque nul et ne bouge pour ainsi dire pas lorsqu’il est soumis à ce type de force. Le coefficient des mousses est compris entre 0,1 et 0,4, celui du titane est de 0,35 et celui du plastique d’environ 0,3. Seul le caoutchouc atteint la valeur maximale de 0,5.
Avec un coefficient de Poisson pouvant atteindre –1, les matériaux auxétiques doivent leur comportement si particulier à leurs structures internes complexes. C’est à la fin des années 80 qu’ont été décrits les premiers matériaux de ce type à base de polymères.
À Erlangen, cette approche a dû être appliquée au métal et les chercheurs ont par la suite développé des structures en se basant sur des réflexions théoriques. L’informatique s’est chargée de l’optimisation. Des mathématiciens, des physiciens et des chercheurs en matériaux se sont réunis pour collaborer au sein du Pôle d’excellence en ingénierie des matériaux avancés. Leur objectif est de mettre au point de nouveaux matériaux et de mener des études collectives dans le cadre de projets interdisciplinaires.
Des modèles et des simulations très prometteurs ont été calculés par ordinateur et des composants ont aussitôt été fabriqués avec la structure choisie selon le procédé de fabrication rapide. Des pièces ont été créées par fusion par faisceau d’électrons de couches de titane. Les propriétés mécaniques qui ont été calculées concordent avec les valeurs mesurées.
Comme le matériau auxétique se rétracte sous l’effet de la compression, son implémentation serait satisfaisante. Ses propriétés mécaniques s’adaptent également correctement aux os. Comme le volume se réduit sous l’effet de la compression et qu’il redevient normal lorsque cette dernière disparaît, il se crée un effet de micro-pompe qui améliore les échanges de fluides corporels dans l’implant. Les chercheurs travaillent aujourd’hui à adapter et maximiser de façon ciblée le comportement auxétique dans les trois directions de l’espace.
Informations complémentaires Origine des matériaux auxétiques : Professeur Carolin Körner, e-mail : carolin.koerner@ww.uni-erlangen.de Pôle d’excellence en ingénierie des matériaux avancés : www.eam.uni-erlangen.de Travaux de recherche du Pôle d’excellence des chercheurs d’Erlangen publiés sous le titre « Hierarchical Structures Towards Functionality » (édition spéciale du magazine Advanced Materials). Il s’agit d’articles généraux sur la nanoélectronique, l’optique, la photonique, la catalyse et la construction légère. Edition en ligne : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.v23.22/23/issuetoc
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