Des nanomatériaux imprimés en 3D et conçus par l'IA : Plus solides que l'acier, plus légers que la mousse

L'avenir de la navigation spatiale et de nombreuses autres industries dépendra de la capacité de l'humanité à développer des matériaux plus résistants, plus légers et plus facilement disponibles. De l'acier à la fibre de carbone, en passant par les matériaux nano-architecturés les plus avancés d'aujourd'hui, la recherche de composants durables et légers reste une priorité dans une multitude de sciences. Heureusement, une équipe de chercheurs dirigée par la faculté des sciences appliquées et de l'ingénierie de l'université de Toronto a récemment mis au point un nouveau procédé qui a donné des résultats prometteurs. Voici ce qu'il faut savoir.

Matériaux nano-architecturés

En termes de haute performance, les matériaux nano-architecturés sont parmi les plus solides. Ils utilisent diverses formes à l'échelle nanométrique pour créer des niveaux élevés de résilience. Ces formes sont répétées des centaines ou des milliers de fois. Cette configuration produit des conditions de charge uniques et des effets secondaires à l'échelle nanométrique qui ajoutent à leur résistance,

Depuis leur invention, de nombreuses versions de matériaux nano-architecturés ont vu le jour, chacune utilisant des formes et des tailles différentes, telles que des treillis, des gyroïdes, des nids d'abeilles et des géométries hybrides. S'il a été prouvé que ces matériaux offrent une résistance accrue, cette technologie présente à ce jour quelques inconvénients.

Le problème des matériaux nano-architecturés d'aujourd'hui

L'un des principaux inconvénients des matériaux nano-architecturés réside actuellement dans le fait qu'ils présentent des points de défaillance et de rupture difficiles à atteindre. La structure de ces éléments et l'utilisation de formes de treillis standard signifient que les coins et les intersections sont soumis à des contraintes supplémentaires. Par conséquent, l'absence de répartition correcte des contraintes peut entraîner des défaillances catastrophiques soudaines au niveau des nœuds et des jonctions.

Étude sur les matériaux nano-architecturés

Conscient de ces limites, un groupe de chercheurs a créé un algorithme unique d'apprentissage automatique pour rechercher et développer de nouvelles architectures possibles. L'étude, appelée Résistance spécifique ultra-élevée grâce à l'optimisation bayésienne des nano-réseaux de carbone¹ a été publiée dans Advanced Materials.

Cette étude représente la première application de l'apprentissage automatique à la création de matériaux nano-architecturés. L'algorithme d'IA a notamment combiné divers aspects de la science des matériaux, de la chimie et de la mécanique pour modéliser avec précision les performances de différentes configurations, matériaux et formes. L'objectif de la recherche est de tirer parti de l'effet "plus c'est petit, plus c'est fort" que procurent les nanomatériaux.

Source - Faculté des sciences appliquées et de l'ingénierie de l'Université de Toronto

L'équipe a commencé ses opérations en s'appuyant sur l'algorithme d'apprentissage automatique de l'optimisation bayésienne. Cet algorithme d'IA est idéal par rapport à d'autres options car il utilise moins de points de données. L'algorithme d'apprentissage automatique d'optimisation bayésienne ne nécessite que 400 points de données, alors que les autres algorithmes en requièrent des milliers.

L'algorithme a analysé et testé différentes structures 3D complexes. Il a examiné des points de données clés tels que l'emplacement des contraintes et la pression de rupture tout en enregistrant la caractérisation à haute résolution de la structure atomique du carbone pyrolytique. Les données ont ensuite été utilisées pour optimiser la nouvelle structure afin d'améliorer encore le rapport résistance/poids.

Essai de matériaux nano-architecturés

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont imprimé en 3D quatre modèles génératifs de réseaux cubiques à face centrée (CFCC) avec des formes de faisceau optimisées en utilisant l'imprimante 3D de polymérisation à deux photons située dans le Centre de recherche et d'application en technologies des fluides (CRAFT). Ce dispositif permet la polymérisation multiphotonique à plusieurs foyers. Plus précisément, les sujets d'essai imprimés étaient constitués de 18,75 millions de cellules de treillis de taille nanométrique.

Le réseau utilise notamment une structure polymère acrylique qui a ensuite été chauffée pour réticuler le polymère en un carbone aromatique vitreux. Cette étape a permis de réduire la taille globale de 20%. Ensuite, divers tests de pression ont été effectués.

Résultats des tests sur les matériaux nano-architecturés

Les tests ont montré que les nouveaux matériaux nano-architecturés présentaient des améliorations en termes de résistance grâce à l'optimisation des éléments de poutre par apprentissage automatique, au carbone pyrolysé de haute pureté et à la capacité de créer des diamètres d'entretoise à l'échelle nanométrique. Plus précisément, les nouvelles conceptions se sont classées entre 1181 TTP3T et 681 TTP3T plus résistantes que leurs prédécesseurs.

Leur efficacité structurelle s'est également améliorée. Le test a montré une meilleure répartition des contraintes et du poids, ainsi qu'un meilleur rapport résistance/poids que les modèles d'origine. Plus précisément, le nouveau matériau et la nouvelle conception ont doublé la résistance du modèle précédent, atteignant 0,03 MPa m3 kg-1 à faible densité.

Matériaux nano-architecturés Avantages

Les avantages de l'utilisation de conceptions optimisées par Bayes et du carbone pyrolysé nano-architecturé sont facilement perceptibles au premier coup d'œil. Ces matériaux sont plus résistants, moins lourds et peuvent être personnalisés pour répondre à une grande variété de besoins.

La force

Les nanomatériaux et la structure confèrent à ces matériaux ultralégers un rapport résistance/poids supérieur à celui du titane. En tant que tel, ce matériau pourrait améliorer une variété de tâches industrielles et commerciales dans les années à venir.

Poids minimal

Les chercheurs ont conclu que leur création était aussi légère que du polystyrène, même si elle était plus performante que l'acier dans les tests de durabilité et de résistance. La clé de cette conception ultralégère réside dans l'utilisation de matériaux et de composants à faible densité. Plus précisément, la réduction à 300 nm du diamètre de la structure nanométrique permet d'obtenir un carbone unique à haute résistance qui surpasse ses prédécesseurs.

Durabilité

Le nouveau matériau peut contribuer à réduire l'empreinte carbone élevée des vols dans d'autres secteurs qui dépendent de matériaux composites légers pour fonctionner. La réduction des matériaux dans le processus de fabrication se traduit directement par une durabilité accrue.

Personnalisation

Le processus d'impression utilisé pour créer les matériaux signifie qu'ils peuvent être construits pour s'adapter à presque tous les cas d'utilisation, toutes les formes et toutes les tailles. Cette flexibilité accrue offre aux ingénieurs de nouvelles possibilités de développer de meilleurs systèmes, plus performants dans de multiples domaines.

Chercheurs en matériaux nano-architecturés

Les recherches sur les matériaux de la nanoarchitecture ont été menées à la Faculté des sciences appliquées et de l'ingénierie de l'Université de Toronto. Elle était dirigée par le professeur Tobin Filleter (MIE). Il a bénéficié de l'aide de Peter Serles, du professeur Seunghwa et de Jinwook Yeo du Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) à Daejeon, en Corée du Sud.

Cette recherche est le fruit d'une collaboration entre le Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en Allemagne, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et la Rice University aux États-Unis, dans le cadre du programme International Doctoral Clusters.

Applications des matériaux nano-architecturés

Les applications potentielles de cette technologie sont multiples. De l'aérospatiale à l'industrie automobile, la demande de matériaux légers et durables est énorme. Voici quelques exemples d'applications de ces nouveaux matériaux nano-architecturés.

Militaire

L'armée continue de s'intéresser aux matériaux légers, que ce soit pour la construction de véhicules ou pour la création de gilets pare-balles plus efficaces. Cette avancée technologique pourrait aider les soldats de demain à survivre plus efficacement dans les zones de guerre et à en faire plus.

Automobile

L'essor des véhicules électriques a donné lieu à une course aux matériaux abordables les plus légers et les plus durables qui soient. Cette recherche s'explique par le fait que l'autonomie des batteries des VE est directement liée au rapport poids/puissance du véhicule. La réduction du poids des matériaux de construction des VE se traduira par des durées de conduite beaucoup plus longues.

Aérospatiale

Les matériaux nano-architecturés sont depuis longtemps utilisés comme composants ultralégers dans les applications aérospatiales. Ce matériau est idéal pour créer des composants pour les avions, les hélicoptères et les engins spatiaux. Cette conception légère et la fabrication de matériaux composites permettent aux ingénieurs d'améliorer le rapport entre le poids et la charge sans sacrifier la sécurité.

Entreprises susceptibles d'intégrer les matériaux nano-architecturés et d'en tirer profit

Les entreprises qui pourraient bénéficier de matériaux plus résistants et plus légers ne manquent pas. Ces entreprises couvrent l'ensemble du marché, des fabricants industriels aux concepteurs d'équipements de protection et de sport. Voici une entreprise qui pourrait intégrer cette technologie dès aujourd'hui et en tirer des avantages immédiats.

Groupe TransDigm

TransDigm (TMD -1.99%) est entrée sur le marché en 1993. Elle a été fondée à Cleveland, OH, en tant que producteur de pièces d'avion. La société a rapidement étendu ses activités et ses offres, ce qui lui a permis de devenir un acteur majeur sur le marché.

Aujourd'hui, TransDigm est l'un des fabricants les plus reconnus de composants, systèmes et sous-systèmes aérospatiaux de haute technicité. Elle est parvenue à rester compétitive grâce à l'innovation et à plusieurs acquisitions de haut niveau.

L'introduction des matériaux nano-architecturés légers et durables mis au point par les chercheurs aiderait l'entreprise à créer des options plus durables. La réduction du poids et la résistance accrues se traduiraient par une plus grande valeur pour les consommateurs et de meilleures performances pour les fabricants.

TransDigm a une capitalisation boursière de $77.1B actuellement. La société est considérée par la plupart des analystes comme un titre à conserver en raison de son positionnement et de ses antécédents éprouvés. Les personnes à la recherche d'un titre reconnu et établi dans le secteur de la fabrication aérospatiale devraient envisager d'examiner TDG.

Les matériaux nano-architecturés peuvent changer la donne

Lorsque l'on examine les améliorations majeures que ces matériaux légers apportent à de nombreux secteurs, il est facile de voir qu'ils changent la donne. L'utilisation de matériaux plus légers et plus résistants améliorera de nombreux marchés et fournira aux ingénieurs des capacités supplémentaires. Il faut donc féliciter les ingénieurs pour leurs efforts.

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Référence de l'étude :

^{1. Serles, P., Yeo, J., Haché, M., Guerra Demingos, P., Kong, J., Kiefer, P., Dhulipala, S., Kumral, B., Jia, K., Yang, S., Feng, T., Portela, C. M., Wegener, M., Howe, J., Singh, C. V., Zou, Y., Ryu, S., & Filleter, T. (2025). Ultrahigh specific strength by Bayesian optimization of carbon nanolattices (Résistance spécifique ultra-élevée par optimisation bayésienne des nano-réseaux de carbone). Matériaux avancés, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}