Matériau non découpable inspiré des coquilles de mollusques et des pamplemousses

Innovation : milieu universitaire

Université de Durham

2020

Image: Brian Jiménez / Unsplash / CC BY SA - Attribution Creative Commons + Partage dans les mêmes conditions

Gérer l'impact

Un impact est une force élevée ou un choc mécanique qui se produit sur une courte période de temps, comme un marteau frappant un clou plutôt qu'une main poussant lentement contre un mur. En raison de leur vitesse et de leur force, les impacts ne permettent pas aux matériaux de s'adapter lentement à la force, ce qui peut entraîner des fissures, des ruptures et une rupture complète. Par conséquent, les systèmes vivants ont des stratégies qui peuvent absorber, dissiper ou autrement survivre à cette force sans avoir besoin d'ajouter de grandes quantités de matière. Par exemple, le grand bec du toucan Toco est très léger, mais peut résister aux chocs car il est fait d'un matériau composite avec de la mousse rigide à l'intérieur et des couches d'un matériau dur et fibreux à l'extérieur.

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Gérer l'usure mécanique

Un système vivant est soumis à une usure mécanique lorsque deux parties se frottent l'une contre l'autre ou lorsque le système vivant entre en contact avec des composants abrasifs de son environnement, tels que le sable ou le corail. Certains composants abrasifs sont une force constante, comme les articulations des doigts en mouvement, tandis que d'autres se produisent rarement, comme une tempête de sable se déplaçant à travers un désert. Les systèmes vivants protègent de l'usure mécanique en utilisant des stratégies adaptées au niveau et à la fréquence de la source, telles que des surfaces résistantes à l'abrasion, des pièces remplaçables ou des lubrifiants. Par exemple, les articulations humaines comme les épaules et les genoux bougent les unes contre les autres toute la journée, tous les jours. Pour protéger de l'usure mécanique, un lubrifiant réduit les frottements entre le cartilage et l'articulation.

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Empêcher la déformation

Lorsqu'un système vivant subit une compression, une tension, un cisaillement, une flexion ou une torsion, ses forces intermoléculaires internes peuvent souvent résister à ces forces et même changer de forme temporairement, revenant à la forme d'origine lorsque les forces s'arrêtent. Cependant, si la force est trop forte ou dure trop longtemps, une déformation permanente ou une défaillance structurelle peut se produire, entraînant la mort. Par conséquent, les systèmes vivants ont des stratégies pour résister à la déformation ou aider à assurer une déformation limitée. Par exemple, les os ont des cristaux minces et des fibres protéiques qui leur confèrent résistance et flexibilité, les protégeant des forces qui, autrement, provoqueraient des déformations au quotidien.

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Prévenir les fractures/ruptures

Un impact ou un stress de force élevée peut entraîner la séparation des matériaux qui composent les systèmes vivants en deux ou plusieurs morceaux (appelée fracturation) ou la rupture ou l'éclatement soudain (appelée rupture). Par exemple, un pétoncle empêche la rupture structurelle de se fracturer car sa coquille est composée de deux matériaux de rigidité variable. Lorsqu'une fissure se déplace du matériau rigide du pétoncle vers le matériau le moins rigide, ce dernier réduit la force à l'extrémité de la fissure, l'empêchant ainsi de se propager plus loin.

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Proteus de l'Université de Durham est un matériau non découpable composé de sphères en céramique dans une structure en aluminium flexible qui interfère avec les outils de coupe.

Avantages

Légèreté
Résistant
Non découpable

Applications

Sécurité
Équipement de protection
Armor

Objectifs de développement durable des Nations Unies abordés

Objectif 9 : Innovation et infrastructure de l'industrie

Le projet

Les équipements de protection doivent être capables de supporter les forces de coupe potentielles qui peuvent endommager le matériau et le rendre vulnérable à la rupture. Une fois qu'une coupe a pénétré dans un matériau, elle facilite l'affaissement du matériau et laisse entrer la poussière et la saleté.

Détails de l'innovation

Le matériau non découpable, appelé Proteus, est un matériau léger composé de sphères de céramique dans une structure en aluminium cellulaire flexible. La conception a été inspirée par la peau cellulaire dure des pamplemousses et des coquilles de mollusques résistantes aux fractures. Lorsqu'un outil de coupe, comme une meuleuse d'angle, essaie de couper dans le matériau, les sphères en céramique émoussent l'outil de coupe, le rendant finalement efficace. De plus, la force générée entre le broyeur et les sphères crée une vibration qui empêche le broyeur de pénétrer suffisamment. Les sphères en céramique se fragmentent également lentement et remplissent les espaces à l'intérieur du matériau, durcissant le matériau. Ce processus est encore augmenté à mesure que la vitesse de l'outil augmente.

Modèle biologique

Des fruits comme le pamplemousse et le pomelo ont d'excellentes propriétés d'amortissement en raison de l'organisation hiérarchique de leurs pelures. Lorsque les fruits de pomelo tombent du sol, les poches d'air à l'intérieur de la peau s'effondrent comme un coussin, absorbant l'énergie de l'impact et protégeant la peau des dommages.

La composition et la construction spécifiques de la nacre la rendent solide et résistante aux défaillances catastrophiques qui peuvent résulter de la propagation des fissures. Cela signifie qu'une plus grande quantité d'énergie est nécessaire pour fracturer ou casser le matériau. Les couches minérales dures à l'échelle microscopique de la nacre sont « collées » ensemble par des couches organiques relativement molles à l'échelle nanométrique. L'arrangement ressemble beaucoup à des couches de briques décalées qui sont maintenues ensemble par du mortier dans un mur de briques.

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close up photo of seven pomelo citrus fruits, one with exposed orange flesh

Stratégie biologique

L'organisation hiérarchique de Peel confère une résistance aux chocs

Pamplemousse

Le fruit du pomelo a d'excellentes propriétés d'amortissement en raison de l'organisation hiérarchique de sa peau composite

Stratégie biologique

Les interfaces faibles rendent le matériau résistant

Coquille de perle à lèvres noires

Des couches de matière organique faible et extensible entre des couches minérales fragiles en nacre rendent l'ensemble composite résistant en gérant les fissures.

Références

Article de revue

Matériau non découpable créé par résonance locale et effets de vitesse de déformation

Rapports scientifiques

aperçu intégré

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