Une équipe d'ingénieurs de l'Université du Colorado à Boulder a récemment démontré un nouveau type de matériau aux allures de science-fiction : un système de particules enchevêtrées composé de petites particules aux formes spéciales qui peuvent basculer librement entre "un tout dur" et un "fluide libre". Les chercheurs se sont inspirés d’une paire de basiques de bureau ordinaires. Lorsqu'un grand nombre d'agrafes sont emmêlées en boule, elles résisteront aux forces extérieures comme un tout lorsqu'elles seront tirées. Cependant, lorsqu’ils sont vibrés ou secoués d’une manière spécifique, ils se détachent rapidement et s’effondrent en un tas de bandes métalliques séparées.
Ce phénomène a incité les chercheurs à repenser les approches de conception des matériaux : au lieu d'utiliser des solides monolithiques traditionnels ou des liaisons chimiques, en partant de formes géométriques, en utilisant un grand nombre de petites particules qui peuvent être « connectées » les unes aux autres pour construire une structure globale par enchevêtrement physique, tout en étant capables de se désintégrer rapidement en cas de besoin. "Nous jouons avec les configurations et les géométries depuis de nombreuses années, mais ce n'est que récemment que nous avons commencé à étudier sérieusement les particules imbriquées et intriquées", a déclaré le professeur François Barthelat, chef du projet et directeur du Laboratoire de matériaux avancés et de bio-inspiration. "Ce système peut présenter un ensemble unique de combinaisons de performances, et nous pensons qu'il laisse beaucoup de place à l'imagination technique."
L'étude, publiée dans le Journal of Applied Physics, appelle ce phénomène « enchevêtrement » – le processus par lequel les particules s'entremêlent les unes avec les autres et forment des connexions structurelles. Des principes similaires sont familiers dans la nature : les nids d’oiseaux reposent sur l’entrelacement de branches et de fibres pour leur résistance, et les os reposent sur le couplage entre des minéraux rigides et des protéines molles pour obtenir un équilibre de propriétés mécaniques. Le défi technique consiste à reproduire de manière contrôlable cet effet « d’emboîtement » dans des matériaux artificiels.
L'équipe de Barthelat estime que la clé réside dans la géométrie des particules. "Prenons l'exemple du sable. La surface des grains de sable est lisse et la forme générale est convexe. Il est presque impossible d'obtenir un véritable emboîtement entre les particules", a expliqué le doctorant Youhan Sohn. "Mais si nous modifions la forme d'un 'grain de sable', son comportement macroscopique et ses propriétés mécaniques changeront radicalement, y compris sa capacité à s'emmêler et à s'emboîter avec d'autres particules."
Après avoir réalisé que la forme est un facteur clé, les chercheurs ont utilisé des simulations de Monte Carlo, une méthode informatique, pour prédire les interactions entre des particules de formes différentes et trouver des conceptions géométriques produisant le plus haut degré d'intrication. Ils ont ensuite validé les résultats de la simulation par une série de « tests de détection » pour voir comment les particules nouvellement conçues se comportaient lors de l'assemblage, du levage et des vibrations réels.
L'expérience a finalement donné une réponse inattendue mais extrêmement simple : les particules « à deux pattes » semblables à des agrafes ont montré la plus forte tendance à s'emboîter. Après avoir empilé un grand nombre de particules sous cette forme, le système peut être étroitement enchevêtré pour former un tout, et peut également être desserré et dispersé dans certaines conditions.
Cette conception apporte plusieurs avantages importants en termes de performances, dont l’un est la rare combinaison d’une résistance élevée et d’une ténacité élevée. Dans les matériaux traditionnels, une résistance élevée s'accompagne souvent d'une augmentation de la fragilité, tandis qu'une ténacité élevée signifie souvent une diminution de la résistance ; cependant, ce matériau à particules enchevêtrées composé de « particules de base » se comporte bien en termes de résistance à la traction et de ténacité. doctorat L'étudiant Saeed Pezeshki a noté : « Notre matériau à particules enchevêtrées utilise ces particules discontinues pour maintenir une résistance élevée tout en présentant une excellente ténacité. »
Un autre avantage majeur est le montage rapide et le démontage réversible du système. L'équipe de recherche a affiné le degré d'imbrication entre les particules en modifiant le mode de vibration appliqué au tas de particules : des vibrations douces et de faible intensité aident les particules à « percer » lentement les espaces entre elles, formant des enchevêtrements plus serrés et améliorant la résistance globale ; tandis que des vibrations plus fortes perturberont l'état de contact d'origine, provoquant la désintégration de la structure et le retour des particules à un état granulaire fluide.
"C'est un matériau très étrange. Ce n'est évidemment pas un liquide, mais il ne peut pas être simplement classé comme solide", a déclaré Barthelat. "Cela ouvre une nouvelle porte à la conception technique. Lorsque vous manipulez réellement une telle boule de particules enchevêtrées avec vos mains, vous ressentirez une sensation étrange et surréaliste."
Parmi les domaines d’application potentiels, l’architecture durable constitue un scénario important. L'équipe de recherche envisage que les futurs bâtiments et ponts puissent utiliser en partie ces particules enchevêtrées comme structure ou unité de remplissage : pendant la période de service, ils ont une bonne capacité portante ; et lorsque la tâche de construction est terminée ou que la durée de vie de la structure se termine, ils peuvent être démontés dans leur ensemble pour réaliser la réutilisation et le recyclage des composants ou des particules.
La robotique est une autre voie possible. Pezeshki a révélé que lors de discussions avec d'autres étudiants, il pensait que ce concept matériel pourrait être étendu à la « robotique en essaim » : un grand nombre de petits robots sont enchevêtrés les uns dans les autres grâce à la conception des formes et des mécanismes, et sont combinés en structures plus grandes et plus complexes lors de l'exécution de tâches ; une fois la tâche terminée, ils sont démêlés les uns avec les autres et dispersés pour exécuter de nouvelles instructions.
Barthelat a utilisé une image familière de science-fiction comme métaphore - similaire au robot en métal liquide T-1000 dans le film "Terminator 2" : il peut se "liquéfier" dans un état fluide dans un petit espace et traverser les obstacles, et peut se recondenser sous une forme complète de l'autre côté. "Bien sûr, le coût de cette technologie est actuellement très élevé et il reste encore de nombreux défis à relever pour parvenir à une application à grande échelle, mais c'est une direction à laquelle de nombreux chercheurs prêtent attention", a-t-il déclaré.
Actuellement, l'équipe continue d'optimiser ce système de matériaux et d'essayer des conceptions de particules plus complexes, telles que l'ajout de « pattes » ou de « crochets » saillants supplémentaires pour rendre les particules quelque peu similaires au tribulus épineux que l'on trouve couramment sur les vêtements. Ce type de structure multi-saillante devrait renforcer encore l'effet d'enchevêtrement et améliorer la stabilité et l'adaptabilité de la structure globale.