Haute résistance grâce à la hiérarchie – Technoguide

Aussi léger que possible et aussi fort que possible en même temps. Telles sont les exigences pour les matériaux légers modernes, tels que ceux utilisés dans la construction aéronautique et l’industrie automobile. Une équipe de recherche a maintenant développé une nouvelle approche de conception de matériaux pour les futurs matériaux ultralégers: des entretoises métalliques de taille nanométrique qui forment des réseaux imbriqués sur des niveaux hiérarchiques séparés offrent une résistance incroyable.

Lorsque la tour Eiffel a été inaugurée en 1889, elle était considérée comme une merveille technique. Son agencement astucieux et délicat de grandes et petites poutres en fer a fourni une stabilité extraordinaire et a fait en sorte qu’il devienne de loin le plus haut bâtiment du monde à l’époque. «Hiérarchique» est ce que les experts appellent l’approche d’ingénierie d’un réseau ouvert de poutres plus grandes contreventées par de plus petites. Depuis plusieurs années, les chercheurs en science des matériaux tentent de transférer cette approche efficace à la microstructure interne des matériaux, par exemple en utilisant des imprimantes 3D capables de reproduire des structures en treillis d’ingénierie à une échelle micrométrique.

Jusqu’à présent, les espoirs de créer une nouvelle génération de matériaux de construction légers extrêmement solides n’ont pas été satisfaits. L’une des raisons: “Une imprimante 3D ne peut imprimer qu’un maximum d’environ dix mille faisceaux et cela prendra des heures”, selon le professeur Jörg Weißmüller de l’Institut de mécanique des matériaux de HZG, co-auteur de la publication actuelle. “Pour les applications pratiques, ce n’est pas vraiment une option viable.”

Corrosion de l’argent

Néanmoins, son équipe poursuit un objectif encore plus ambitieux. La vision: si les faisceaux pouvaient être renforcés en réduisant leur taille à quelques nanomètres de diamètre, ils pourraient constituer la base d’un nouveau type de matériau – exceptionnellement léger et en même temps résistant. Cependant, ce type de matériau devrait contenir des billions de faisceaux, dépassant de loin la capacité de l’imprimante, même la plus sophistiquée. «C’est pourquoi nous devons inciter la nature à fabriquer ce type de matériaux pour nous, simplement par auto-organisation», explique le collègue de Weißmüller, le Dr Shan Shi, auteur principal de l’étude.

Pour commencer, l’équipe a utilisé un alliage de 93% d’argent et 7% d’or. Cet alliage est plongé dans de l’acide sulfurique dilué, dissolvant environ la moitié de l’argent. En conséquence, le matériau restant se réorganise lui-même, formant un réseau délicat de faisceaux nanométriques. Ensuite, le matériau subit un traitement thermique à plusieurs centaines de degrés. «Cela grossit le réseau à une taille de faisceau de 150 nanomètres tout en conservant l’architecture d’origine», explique Shi.

Lors de la dernière étape, l’acide entre à nouveau en jeu. Il est utilisé pour laver le reste de l’argent, ne laissant que des faisceaux d’or avec une taille de pore de 15 nanomètres en moyenne. Le résultat est un matériau structuré hiérarchiquement avec deux tailles de poutres distinctes, un peu comme la tour Eiffel. Du fait de sa structure en réseau ouvert, ce nouveau matériau est constitué de 80 à 90% d’air, ce qui lui confère une densité de seulement 10 à 20% du métal solide.

Incroyablement léger, incroyablement fort

Le groupe de recherche a ensuite testé les propriétés mécaniques de leurs échantillons de taille millimétrique. «Compte tenu de la faible densité de ce matériau, il présente des valeurs exceptionnellement élevées pour des paramètres mécaniques clés tels que la résistance et le module d’élasticité», se réjouit Jörg Weißmüller. “Nous avons enlevé une grande partie de la masse et laissé très peu, mais le matériau est beaucoup plus résistant que ce qui était à la pointe de la technologie jusqu’à présent.” Cela, a-t-il dit, démontre pour la première fois qu’une structure hiérarchique peut être bénéfique non seulement pour les structures en treillis d’ingénierie macroscopiques telles que la Tour Eiffel, mais également pour les matériaux de réseau légers.

Le nouveau matériau n’est pas encore adapté aux applications de construction légère – l’or est tout simplement trop cher, trop lourd et trop mou pour cela. Pourtant, la nouvelle approche de conception des matériaux HZG pourrait éventuellement être transférée à d’autres métaux plus pertinents sur le plan technologique comme l’aluminium, le magnésium ou le titane. Les chercheurs devront alors faire face à un autre défi: jusqu’à présent, ils n’ont pu fabriquer que de petits échantillons de la taille d’un millimètre. “Mais il semble tout à fait possible de fabriquer des fils ou même des feuilles de métal entières par notre procédé”, espère Weißmüller. «À ce stade, le matériau deviendra intéressant dans des scénarios réels, par exemple, dans de nouveaux concepts de véhicules plus légers et donc plus économes en énergie.

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