La nanostructure du matériau lui permet d’absorber les projectiles au lieu de se déchirer à l’impact — © Carlos Portela et al. / MIT / Nature Materials

S’appuyant sur des techniques d’ingénierie avancée à l’échelle nanométrique, une équipe de chercheurs du MIT a mis au point un nouveau matériau de blindage surpassant le Kevlar et l’acier.

Une structure optimisée

Décrit dans la revue Nature Materials, le nouveau matériau a été créé à partir d’une résine photosensible, travaillée au laser afin de former un treillis composé d’entretoises microscopiques. Placé dans une chambre à vide à haute température, le polymère s’est transformé en un carbone ultra-léger, dont la structure s’inspire des mousses spécialement conçues pour absorber les chocs. « Le carbone est normalement fragile, mais la disposition de ce matériau nano-architecturé et la taille infime des entretoises lui confèrent une importante flexibilité », souligne Carlos Portela, auteur principal de l’étude.

En ajustant la disposition des entretoises en carbone, l’équipe a pu modifier ses propriétés. « Il s’agit d’une caractéristique propre aux matériaux constitués de structures nanométriques, mais nous avons utilisé une approche inédite pour étudier ces effets en conditions réelles », explique Portela. « Nous ne connaissions leur réaction que dans un schéma de déformation lente, alors qu’une grande partie de leur utilisation pratique est supposée intervenir dans le monde réel, où rien ne se déforme lentement. »

Les tests d’impact réalisés impliquaient une lame de verre dont l’une des faces était recouverte d’un film d’or et de particules d’oxyde de silicium. Lorsqu’un laser était projeté sur celle-ci, un plasma (gaz en expansion rapide) était généré, faisant voler les particules de la surface vers la cible. En faisant varier la puissance de ce dernier, les scientifiques pouvaient ajuster la vitesse des projectiles, et ainsi expérimenter toute une gamme de vitesses afin d’évaluer le potentiel de leur nouveau matériau.

Images montrant une particule s’étant incrustée dans le matériau avancé du MIT lors d’un test — © Carlos Portela et al. / MIT / Nature Materials

Des impacts supersoniques

Les particules ont été projetées sur le matériau à des vitesses supersoniques (allant jusqu’à 1 100 mètres par seconde) et des caméras ultra-rapides ont été utilisées pour étudier les impacts. Cette approche a également permis de tester différentes configurations, avec des entretoises en carbone de plusieurs épaisseurs et d’identifier la conception la plus adaptée pour que les particules se logent dans le matériau plutôt que de le traverser. « Nous avons constaté qu’il pouvait absorber davantage d’énergie qu’un matériau dense et monolithique, grâce à ce mécanisme de compactage des chocs à l’échelle nanométrique », détaille Portela.

D’après l’équipe, à volume équivalent, ce matériau se révélant plus fin qu’un cheveu humain absorbe les impacts plus efficacement que l’acier, l’aluminium, ou même le Kevlar. Par conséquent, la mise à l’échelle d’une telle approche pourrait permettre le développement d’un blindage alternatif, plus léger et résistant que les matériaux traditionnels.

« Les connaissances issues de ces travaux pourraient permettre la mise au point d’autres matériaux ultra-légers résistants aux chocs, incorporés aux systèmes de blindage, aux revêtements de protection et aux boucliers anti-explosion utilisés dans les domaines de l’aérospatiale et de la défense militaire », conclut Julia Greer, co-auteure de l’étude.

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