Cette « cotte de mailles » futuriste est capable de passer de l’état solide à l’état liquide

Des chercheurs de l’Institut de technologie de Californie (Caltech) ont développé un matériau à la capacité surprenante : il peut passer instantanément d’un état fluide à un état solide. Cette catégorie inédite de matériaux, appelés « matériaux architecturés polycaténaires » (PAM), repose sur un réseau complexe d’anneaux imbriqués ou de structures en cage. L’étude a été publiée dans la revue Science.

Une structure inspirée de la cotte de mailles

Le nom de « matériaux architecturaux polycaténaires » reflète leur configuration, car ils ne sont pas composés de blocs solides ou de réseaux fixes, mais de particules entrelacées formant des structures tridimensionnelles. Sous une déformation légère, ces matériaux se comportent comme des fluides, s’étirant et se tordant. En revanche, lorsqu’ils sont soumis à des pressions plus importantes, ils se durcissent et absorbent l’énergie. 

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Les PAM s’inspirent de la cotte de mailles. Pendant des siècles, les armures étaient constituées d’anneaux métalliques imbriqués, offrant à la fois souplesse et solidité. Les PAM reprennent ce concept, mais à un niveau beaucoup plus sophistiqué. Ils intègrent des anneaux, des cages et d’autres formes complexes, arrangées en treillis tridimensionnels. 

Les PAM se distinguent des matériaux traditionnels par leur architecture interne plutôt que par leur composition chimique. L’équipe de recherche, dirigée par Wenjie Zhou et Chiara Daraio, a conçu ces matériaux en s’inspirant des géométries complexes des réseaux cristallins, traduites en structures 3D imbriquées. Selon Chiara Daraio, professeure de génie mécanique et de physique appliquée à Caltech : « Les PAM représentent un type de matière complètement nouveau. Ils ne rentrent dans aucune des catégories traditionnelles établies depuis des siècles. »  

Des tests concluants et des propriétés uniques

L’équipe a fabriqué des prototypes de PAM à partir de divers matériaux tels que des polymères acryliques, du nylon et des métaux, en utilisant l’impression 3D. Ces modèles, ayant généralement la taille d’une balle de golf, ont ensuite été soumis à différents tests, tels que la compression, la torsion et le cisaillement, afin d’observer leurs réactions. 

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Sous certaines conditions, les PAM se comportent comme un fluide, les éléments de leur structure glissant les uns contre les autres sans résistance. Cependant, sous une contrainte plus intense, ils deviennent rigides et absorbent les chocs. Ce comportement hybride distingue les PAM des matériaux traditionnels, souvent qualifiés soit de solides, soit de granulaires. Les solides, comme les métaux ou les cristaux, possèdent des structures fixes. À l’inverse, les matériaux granulaires, comme le sable, sont composés de particules libres de se déplacer. 

Les PAM se situent entre les deux, car leurs particules sont liées entre elles, mais suffisamment mobiles pour se réorganiser comme des grains de sable. En contrôlant la géométrie des structures et leur agencement, les scientifiques peuvent ajuster la résistance et l’élasticité des PAM selon les besoins. 

Des applications prometteuses

Grâce à leur capacité à absorber les chocs, les PAM pourraient transformer un certain nombre de secteurs. Ils pourraient être utilisés dans la fabrication d’équipements de protection, tels que les casques ou les gilets pare-balles, ou dans les emballages nécessitant une absorption efficace des chocs. Leur utilisation est également envisageable dans la robotique souple et dans le domaine biomédical, où la flexibilité et l’adaptabilité sont essentielles.

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Selon Liuchi Li, l’un des chercheurs ayant participé à l’étude, il est prévu d’utiliser l’intelligence artificielle pour optimiser la conception de ces structures et explorer davantage leurs capacités. « Nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui est possible », a-t-il déclaré. Alors que ces matériaux continuent d’être étudiés et perfectionnés, ils pourraient bientôt révolutionner divers secteurs industriels et technologiques. 

Par ailleurs, ce matériau nouvelle génération se rigidifie à la demande.