Science des matériaux
Les matériaux auxétiques ont de nombreuses applications. Les algorithmes avancés les rendent désormais plus faciles à créer
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Les matériaux auxétiques se contractent et s’étendent dans la direction transversale lorsqu’ils sont soumis respectivement à une compression axiale et à une traction. Ils réagissent d’une manière contre‑intuitive par rapport aux matériaux élastiques classiques et, par conséquent, présentent un coefficient de Poisson négatif. Ce coefficient mesure la déformation dans une direction perpendiculaire à la force appliquée. Contrairement aux matériaux élastiques habituels, les matériaux auxétiques, sous compression, deviennent plus fins dans la direction perpendiculaire à la force appliquée.
Ces matériaux sont devenus populaires au cours des deux dernières décennies grâce à leurs propriétés utiles, telles que la bonne ténacité à la fracture, une résistance élevée à l’indentation/aux impacts, le module de cisaillement, une bonne absorption d’énergie, la déformation synclastique et une forte contrainte transversale. Ils possèdent également une grande résistance aux entailles et une isotropie de surface supérieure.
Toutes ces propriétés ont enrichi les matériaux auxétiques, garantissant une large utilisabilité de ces matériaux. Dans les sections suivantes, nous examinerons quelques-unes de ces applications dans les domaines de la science médicale et des soins de santé, de l’ingénierie automobile, de l’ingénierie de protection, de l’habillement, etc.
Matériaux auxétiques dans les soins de santé et les sciences médicales
Le polyéthène auxétique à haute densité est utilisé pour développer des disques intervertébraux artificiels pour la chirurgie de la colonne vertébrale. Ces disques peuvent se plier et se tordre et pourraient offrir des performances biomécaniques améliorées par rapport aux solutions traditionnelles de remplacement de disque. Leurs propriétés auxétiques empêchent les gonflements susceptibles de blesser les terminaisons nerveuses environnantes, permettant au disque de reproduire parfaitement le comportement d’un disque intervertébral lombaire naturel.
Une vis pédiculaire auxétique a également été proposée pour améliorer l’interaction biomécanique entre l’os environnant et la vis, principalement pour la colonne vertébrale.
La recherche a également aidé les scientifiques à développer un stent coronaire à géométrie auxétique basé sur de l’acier inoxydable de qualité médicale 316L. Ce stent peut s’étendre à la fois radialement et longitudinalement et être optimisé pour un diamètre et une longueur de vaisseau spécifiques afin de créer un certain volume de lumière, minimisant l’impact négatif du stent sur la paroi du vaisseau.
Les matériaux auxétiques se sont également révélés utiles dans d’autres applications médicales, telles que les tiges d’implants de hanche, la fixation des os longs, les patchs cardiaques, les écouvillons nasopharyngés, les semelles orthopédiques, et plus encore. Ils sont également précieux en ingénierie tissulaire et dans la fabrication de structures et de membranes pour dispositifs médicaux in‑vitro.
Matériaux auxétiques dans l’ingénierie automobile
Des recherches récentes ont montré que les matériaux et structures auxétiques peuvent offrir une méthode de conception supérieure améliorant les caractéristiques d’absorption d’énergie des pare-chocs à tubes à paroi mince traditionnels et des caisses absorbant les chocs.
Ces structures présenteraient une plus grande rigidité, un avantage d’absorption d’énergie lors de collisions à vitesse moyenne et un temps tampon plus long pour l’absorption d’énergie de la collision ainsi que le processus d’accélération‑décélération des occupants. Elles obtiennent également de bons scores en termes de capacité d’absorption d’énergie, d’efficacité d’absorption d’énergie et d’autres indices de performance.
L’un des chercheurs de ce domaine a notamment proposé un pare-chocs composé d’une structure à poutre sandwich auxétique et d’un bloc absorbant l’énergie, combinés et optimisés par un algorithme multi‑objectif, ce qui a amélioré la résistance aux collisions frontales du véhicule.
Matériaux auxétiques dans l’ingénierie de protection
L’utilisation de structures auxétiques en ingénierie de protection découle de leur forte absorption d’énergie, de leur résistance à la compression par indentation améliorée et de leurs propriétés de résistance au cisaillement renforcées.
La recherche a permis de découvrir des structures de panneaux sandwich à nid d’abeilles auxétiques capables de protéger les structures en béton armé contre les impacts sévères et les charges d’explosion de proximité.
De plus, les panneaux sandwich cylindriques à effet auxétique présentaient des propriétés de résistance aux explosions plus fortes et pouvaient être utilisés pour concevoir efficacement des coques d’avion robustes, des engins spatiaux, des coques de sous‑marins, des réservoirs de carburant, des abris de mines de charbon et d’autres structures courbées.
Matériaux auxétiques dans l’ingénierie vestimentaire
La propriété d’expansion transversale des matériaux auxétiques sous charge aide à former des doubles courbures lors du pliage. Cette propriété permet aux vêtements fabriqués à partir de ces matériaux de s’adapter aux contours changeants du corps humain pendant le mouvement. La recherche montre que les vêtements de maternité en tissu auxétique présentent une concentration de contraintes plus faible comparée aux modèles traditionnels. Ils sont également confortables à porter.
Cette large gamme de possibilités d’application a entraîné une demande accrue pour les matériaux auxétiques. Pour répondre à cette demande croissante, les chercheurs ont développé une recette en trois étapes pour concevoir des matériaux auxétiques à la demande.
Une procédure en trois étapes pour créer des matériaux auxétiques à la demande
Plus précisément, ces chercheurs ont développé un outil algorithmique qui aide à la conception tridimensionnelle précise des auxétiques. Selon le co‑auteur de l’étude, Edwin Chan, ingénieur en recherche de matériaux chez NIST :
« Nous pouvons réellement optimiser le matériau pour qu’il possède les propriétés mécaniques et le comportement particuliers que vous souhaitez. »
Les chercheurs ont présenté au monde un cadre unifié pour décrire les auxétiques parfaits bidimensionnels. Cette présentation résulte d’une prise de conscience plus large selon laquelle comprendre et contrôler la limite auxétique parfaite pourrait nous permettre de concevoir rationnellement des auxétiques réalistes avec une structure géométrique sur mesure pour laquelle le coefficient de Poisson reste négatif.
En détaillant l’importance majeure de leur étude, les chercheurs ont déclaré :
« Notre théorie unifie non seulement une grande classe d’auxétiques existants, englobant les précédents systèmes d’unités rigides auxétiques, mais permet également de créer une grande variété d’entre eux, avec de nouvelles géométries diverses, y compris le matériau auxétique isotrope quelque peu insaisissable. »
Comme les chercheurs s’intéressaient à comprendre le comportement des auxétiques parfaits, ils ont utilisé le modèle bidimensionnel minimal pour les unités rotatives. Les unités comprenaient une série de polygones reliés par des ressorts de longueur naturelle nulle. Chaque unité rigide possédait trois degrés de liberté : deux de translation et un de rotation. Ce modèle a aidé à déterminer l’émergence du mode floppy auxétique et a introduit l’élasticité dans les matériaux afin que des scénarios non idéaux puissent également être étudiés.
Le résultat de l’investigation scientifique s’est présenté sous la forme d’une recette permettant de fabriquer des auxétiques parfaits. Elle nécessite trois ingrédients :
- Un réseau bipartite permettrait aux unités de contre‑tourner les unes par rapport aux autres.
- Initialement et au repos, chaque paire de vecteurs de position de polygones voisins et le sommet qui les relie doivent être colinéaires.
- Le rapport entre la distance d’un polygone à l’un de ses sommets et la distance de son voisin au même sommet doit être constant dans le réseau.
Les chercheurs soulignent que l’unicité de leur théorie réside dans le fait qu’elle n’est pas limitée aux réseaux et peut s’appliquer directement aux réseaux désordonnés. Cela permet la création des premiers matériaux auxétiques parfaits isotropes. Les chercheurs indiquent également que leur théorie pourrait être étendue aux matériaux polyédriques 3D.
Bien que cette recherche constitue une percée, le travail sur les matériaux auxétiques se poursuit depuis un certain temps. Dans les sections suivantes, nous examinerons les entreprises qui ont mené des travaux novateurs à leur sujet.
#1. Nike
L’une des marques leaders qui ont réalisé des travaux sophistiqués dans le domaine des structures auxétiques est Nike. Le brevet de Nike n° US9402439B2 porte sur des structures auxétiques facilitant la fabrication de semelles avec des structures auxétiques.
Habituellement, les chaussures comprennent au moins deux composants majeurs :
- Une tige qui forme l’enveloppe recevant le pied du porteur
- Une semelle fixée à la tige qui sert de contact principal avec le sol ou la surface de jeu
La semelle peut comprendre trois sous‑segments : une semelle intérieure, une semelle intermédiaire et une semelle extérieure. Dans la chaussure Nike brevetée, au moins une couche de la semelle est faite d’une structure auxétique. Elle est désignée comme la couche auxétique.
Courir, tourner, sauter ou accélérer avec ces chaussures soumet la couche auxétique à une tension longitudinale ou latérale accrue, augmentant sa longueur et sa largeur. Ainsi, elle offre une traction améliorée et absorbe une partie des impacts de la surface de jeu.
Nike estime que ces chaussures pourraient être bénéfiques pour une gamme de sports et d’activités récréatives, notamment le tennis et les autres sports de raquette, la marche, le jogging, la course, la randonnée, le handball, l’entraînement, la course ou la marche sur tapis roulant, ainsi que les sports d’équipe tels que le basket-ball, le volley-ball, le lacrosse, le hockey sur gazon et le football.
NKE Graphique du prix
Pour l’exercice complet 2023, Nike a déclaré des revenus de 51,2 milliards de dollars US, en hausse de 10 % par rapport à l’année précédente et de 16 % en termes neutres de change.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space a obtenu un brevet sur une structure auxétique déformable et un procédé de fabrication. L’invention vise à fournir une protection légère contre les impacts à haute énergie sur les structures et systèmes d’avions grâce à un seul panneau sandwich intégré qui exploite le comportement auxétique bidimensionnel dans les deux directions formant la surface du panneau.
Airbus suggère qu’une telle protection serait très bénéfique dans les configurations d’avions à moteur arrière fortement intégrées, y compris les architectures Open‑Rotor ou d’ingestion de couche limite. Dans ces configurations, des dispositifs de protection (blindages) sont nécessaires en raison de préoccupations de sécurité contre les impacts à haute énergie sur le fuselage provenant du détachement de pales d’hélice (PBR) et des débris de moteur (défaillance de rotation du moteur non contenue, petits fragments et troisième disque).
La structure présente un agencement auxétique composé d’une pluralité de cellules auxétiques tridimensionnelles interconnectées et adjacentes. Cette conception garantit que, que l’élément de surface soit plan, courbe ou composé de différentes surfaces planes, la structure résultante affichera un comportement auxétique sur chacune de ces surfaces. De plus, elle présentera un comportement auxétique dans plus d’une dimension perpendiculaire à la direction principale de l’impact.
En 2023, Airbus a enregistré un chiffre d’affaires de plus de 65 milliards d’euros, une augmentation significative par rapport aux 58,8 milliards d’euros réalisés en 2022.
Création de matériaux auxétiques : à quoi ressemble le futur
La recherche qui a ouvert notre discussion a pu réaliser de nombreuses percées. Elle pourrait fournir un modèle simple à suivre pour créer, concevoir et caractériser les auxétiques à unités rotatives. Les modèles qui valident la théorie étaient puissants pour des simulations simples afin de tester les propriétés des matériaux tout en ignorant les forces de flexion. Cependant, les modèles pouvaient également intégrer la flexion si nécessaire. Ce travail a conduit à établir les règles de base pour créer des auxétiques parfaits isotropes jamais vus auparavant. La seule chose requise était davantage de recherches sur l’analyse dynamique et vibratoire.
Bien que la recherche et l’exploration soient un processus sans fin en science et technologie, il faut davantage d’investigations sur la viabilité des matériaux auxétiques comme renfort, notamment pour les applications portantes. Des déformations excessives sont nécessaires pour déclencher les avantages découlant de l’auxéticité. Ces déformations pourraient dépasser les limites de service spécifiées pour les éléments structurels sous charge statique. À cet égard, les chercheurs ont souligné la nécessité de conceptions sur mesure qui répondent à la fois aux exigences de résistance et de rigidité.
Dans le domaine des applications biomédicales, le besoin d’auxétiques 3D apparaît, ce qui ne peut être réalisé que par des procédés de fabrication additive. Ces procédés doivent être améliorés afin d’assurer la performance à long terme des dispositifs médicaux. Le processus avancé basé sur des algorithmes pour créer des auxétiques pourrait être utile dans ces cas, car la plupart des technologies additives produisent des résultats intrinsèquement anisotropes en raison du processus couche par couche, ce qui peut affecter les performances mécaniques des solutions.
Bien que ces défis subsistent, les chercheurs sont optimistes que certaines tendances futures, si elles sont mises à l’échelle avec succès, puissent conduire à une adoption plus enthousiaste des auxétiques. Ces tendances incluent la création de synergies entre l’impression 4D et les géométries auxétiques, la fabrication de matériaux à mémoire de forme et de mécanismes, etc.
Les auxétiques pourraient également trouver une utilisation accrue dans les matériaux biohybrides, où une charpente auxétique colonisée par des cellules peut conduire à des actionneurs plus autonomes. Selon les chercheurs, ces matériaux sont capables de surpasser les matériaux et structures « intelligents », actifs ou multifonctionnels actuellement disponibles.
Un des principaux exemples d’utilisation des biohybrides se présente sous la forme de micro‑robots dotés d’un châssis auxétique et de mécanismes actionnés par des cellules vivantes. Ces solutions, notamment les cardiomyocytes ou cellules musculosquelettiques activés par des stimuli électriques, pourraient être utilisées comme actionneurs chirurgicaux à l’avenir.
Dans l’ensemble, les auxétiques nous offrent un champ d’opportunités. Tout ce dont ils ont besoin, c’est de davantage de recherches et de ressources pour les mettre à l’échelle et fournir des solutions viables qui durent très longtemps.
