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Le verre se déforme, mais ne se brise pas

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Une technique inspirée de formes naturelles rend le verre moins cassant
Publié: 29 Jan 2014
Bio-inspired glass

En général, quand un verre tombe sur le plancher, il se brise. Pourtant, à l’avenir, le verre qui tombe devrait se courber et se déformer légèrement, grâce à une technique mise au point au Département de génie mécanique de l’Université McGill. En effet, le professeur François Barthelat et son équipe se sont inspirés de la mécanique de structures naturelles comme celle des coquillages pour augmenter la résilience du verre de façon significative.

« Les coquilles des mollusques sont constituées à environ 95 % de craie, laquelle est très fragile dans sa forme naturelle », explique M. Barthelat. « Cependant, la nacre qui tapisse l’intérieur des coquilles est faite de tablettes microscopiques comparables à de miniatures briques Lego. La nacre est connue pour sa solidité et sa résistance extrêmes, et sa structure fait l’objet d’études depuis vingt ans. »

Selon M. Barthelat, les tentatives antérieures pour recréer les structures de la nacre se sont révélées problématiques. « Imaginez essayer de construire un mur de Lego à l’aide de briques microscopiques. Pas facile. » Son équipe et lui ont plutôt choisi d’étudier les interfaces entre les blocs de constructions des matériaux naturels comme la nacre. Ils se sont servis de lasers pour graver des réseaux de microfissures en 3D dans des lames de verre afin de créer des interfaces faibles similaires. Les résultats ont été spectaculaires.

Les chercheurs ont réussi à multiplier par 200 la résilience des lames de verre (comme celles qu’on utilise sous un microscope) comparativement à des lames non gravées. En gravant à la surface de verre borosilicaté des réseaux de microfissures, qui forment des configurations de lignes ondulées dont les formes rappellent les bords ondulés des morceaux d’un casse-tête, ils sont parvenus à arrêter la propagation et l’agrandissement des fissures. Bien que, selon M. Barthelat, ce procédé n’est pas essentiel puisque les tracés créés dans les microfissures suffisent pour empêcher le verre de se fracturer, l’équipe a rempli ces dernières de polyuréthane.

Les chercheurs se sont servis de plaques de verre parce que leurs dimensions et le verre se prêtent bien à l’engravure au laser. M. Barthelat croit par ailleurs qu’il sera très facile d’utiliser ce procédé à plus grande échelle, sur toute plaque de verre, quelle qu’en soit la taille, étant donné qu’il est déjà possible de graver des logos et des motifs sur des panneaux de verre. Son équipe et lui sont très enthousiastes à l’idée d’entreprendre ces travaux.

« Les matériaux naturels nous montrent comment des tracés de microfissures peuvent contrôler et limiter la propagation de plus grandes fissures et par le fait même, d’absorber l’énergie d’un impact, précise M. Barthelat. Nous avons choisi de travailler avec du verre parce que nous voulions travailler avec l’archétype des matériaux fragiles. Nous prévoyons toutefois d’explorer les mêmes techniques sur des  céramiques et des polymères. L’observation de la nature peut sans aucun doute mener à l’amélioration de nos matériaux d’ingénierie ».

Pour lire l’article complet : Overcoming the brittleness of glass through bio-inspiration and micro-architecture, par F. Barthelat et coll. dans Nature Communications : http://www.nature.com/ncomms/2014/140128/ncomms4166/full/ncomms4166.html.

Les travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie et par la Fondation canadienne pour l’innovation, et l’un des auteurs a bénéficié du soutien partiel du Prix d’études doctorales en génie de l’Université McGill. Les auteurs remercient la société Vitro pour ses conseils techniques utiles.

 


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