Inspirés par l’humble éponge des grands fonds, les ingénieurs de l’université RMIT ont mis au point un nouveau matériau doté d’une résistance à la compression et d’une rigidité remarquables, qui pourrait améliorer les conceptions architecturales et de produits.
Le double treillis s’inspire du squelette complexe d’une éponge d’eau profonde connue sous le nom de « panier de fleurs de Vénus », qui vit dans l’océan Pacifique.
L’auteur principal de la dernière étude du RMIT sur la structure, le Dr Jiaming Ma, a déclaré que des tests et des optimisations approfondis ont révélé la combinaison impressionnante de rigidité et de résistance du motif, associée à une capacité de contraction lorsqu’il est comprimé.
C’est ce dernier aspect – connu sous le nom de comportement auxétique – qui ouvre toute une série de possibilités d’application de la conception à l’ingénierie structurelle et à d’autres applications.
« Alors que la plupart des matériaux s’amincissent lorsqu’ils sont étirés ou grossissent lorsqu’ils sont comprimés, comme le caoutchouc, les matériaux auxétiques font l’inverse », explique M. Ma. « Les matériaux auxétiques peuvent absorber et répartir efficacement l’énergie d’un impact, ce qui les rend extrêmement utiles ».
Les matériaux auxétiques naturels comprennent les tendons et la peau de chat, tandis que les matériaux synthétiques sont utilisés pour fabriquer des stents cardiaques et vasculaires qui se dilatent et se contractent en fonction des besoins
Mais si les matériaux auxétiques ont des propriétés utiles, leur faible rigidité et leur capacité limitée d’absorption d’énergie limitent leurs applications. La conception à double treillis de l’équipe, inspirée de la nature, est importante car elle permet de surmonter ces principaux inconvénients.
« Chaque treillis pris isolément a un comportement de déformation traditionnel, mais si vous les combinez comme le fait la nature dans l’éponge des profondeurs, ils s’autorégulent, conservent leur forme et surpassent les matériaux similaires par une marge assez importante », a commenté M. Ma, de l’école d’ingénierie du RMIT.
Les résultats publiés dans Composite Structures montrent qu’avec la même quantité de matériau, le treillis est 13 fois plus rigide que les matériaux auxétiques existants, qui sont basés sur des nids d’abeille rentrants.
Il peut également absorber 10 % d’énergie en plus tout en conservant son comportement auxétique avec une plage de déformation supérieure de 60 % par rapport aux conceptions existantes.
Le Dr Ngoc San Ha a déclaré que la combinaison unique de ces propriétés ouvrait la voie à plusieurs applications intéressantes pour leur nouveau matériau.
« Ce treillis auxétique bioinspiré constitue la base la plus solide à ce jour pour le développement de la prochaine génération de bâtiments durables », a-t-il déclaré.
« Notre métamatériau auxétique à haute rigidité et absorption d’énergie pourrait offrir des avantages significatifs dans de nombreux secteurs, des matériaux de construction aux équipements de protection et de sport, en passant par les applications médicales », a-t-il ajouté.
La structure en treillis bioinspirée pourrait fonctionner comme un cadre de construction en acier, par exemple, ce qui permettrait d’utiliser moins d’acier et de béton pour obtenir des résultats similaires à ceux d’un cadre traditionnel.
La structure pourrait également constituer la base d’équipements de protection sportive légers, de gilets pare-balles ou d’implants médicaux.
Le professeur honoraire Mike Xie a déclaré que le projet mettait en évidence l’intérêt de s’inspirer de la nature.
« Non seulement le biomimétisme crée des conceptions belles et élégantes comme celle-ci, mais il crée également des conceptions intelligentes qui ont été optimisées au cours de millions d’années d’évolution et dont nous pouvons nous inspirer », a précisé M. Xie.
Prochaines étapes
L’équipe du Centre for Innovative Structures and Materials du RMIT a testé la conception à l’aide de simulations informatiques et d’essais en laboratoire sur un échantillon imprimé en 3D à partir de polyuréthane thermoplastique.
Elle prévoit maintenant de produire des versions en acier de la conception à utiliser avec des structures en béton et en terre battue – une technique de construction utilisant des matières premières naturelles compactées.
«. « Nous mettons au point un matériau de construction plus durable en utilisant la combinaison unique de notre conception avec une auxicité, une rigidité et une absorption d’énergie exceptionnelles pour réduire l’utilisation de l’acier et du ciment dans la construction ».
« Ses caractéristiques auxétiques et d’absorption d’énergie pourraient également contribuer à atténuer les vibrations lors des tremblements de terre ».
L’équipe prévoit également d’intégrer cette conception à des algorithmes d’apprentissage automatique en vue d’une optimisation plus poussée et de la création de matériaux programmables.
Légende illustration : Le professeur honoraire Mike Xie et le Dr Jiaming Ma tiennent un modèle imprimé en 3D du double treillis conçu par l’équipe.
‘Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge’ est publié dans Composite Structures (DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118835)
Auteurs : Aеden Ratcliffе et Michael Quin
Source : RMIT
