Les filets de polycarbonate synthétisés absorbent jusqu’à 96% de l’énergie d’un impact

L’araignée n’est plus la seule à tisser des toiles qui encaissent les coups sans casser: les imprimantes 3D font aussi le travail. Une équipe de Polytechnique Montréal vient de démontrer comment une toile conçue par fabrication additive absorbe jusqu’à 96 % de l’énergie d’un choc sans céder. Une innovation qui ouvre la voie à la création de recouvrements de plastique incassables, et dont les détails ont été publiés récemment dans Cell Reports Physical Science.

L’idée à la base de cette publication se veut relativement simple. Frédérick Gosselin et Daniel Therriault, professeurs au Département de génie mécanique de Polytechnique Montréal, ainsi que l’étudiant au doctorat Shibo Zou, ont voulu démontrer comment un filet de plastique pouvait être incorporé à une vitre pour l’empêcher de craquer lors d’un impact.

Une idée simple à première vue seulement, car le filet de plastique, lui, n’a rien d’ordinaire.

Les chercheurs se sont inspirés des propriétés des toiles d’araignée pour le concevoir. « Si une toile d’araignée est capable de résister à l’impact d’un insecte qui s’écrase sur elle, c’est parce qu’elle a la capacité de se déformer grâce à des liens sacrificiels au niveau moléculaire, à l’intérieur même des protéines de la soie, explique le Pr Gosselin. On s’est inspirés de cette stratégie dans notre approche. »

Biomimétisme par impression 3D

Pour réaliser leur coup, les chercheurs ont misé sur le polycarbonate. Une fois chauffé, ce plastique devient visqueux comme du miel. L’équipe du Pr Gosselin a exploité cette propriété pour « tisser » une série de fibres de moins de 2 mm d’épaisseur à l’aide d’une imprimante 3D, puis a répété le processus en imprimant perpendiculairement une nouvelle série de filaments avant que le tout ne se solidifie.

Et c’est précisément au cours de ce processus que le produit final accapare toutes ses propriétés.

Pendant qu’il est lentement extrudé par l’imprimante 3D pour former une fibre, le plastique en fusion décrit des cercles qui forment ultimement une série de boucles. « Une fois solidifiées, ces boucles se transforment en liens sacrificiels et confèrent une force additionnelle à la fibre, explique le chercheur. Lorsqu’il y a un choc, elles encaissent l’énergie et se brisent pour préserver l’intégrité de la fibre, un peu comme le font les protéines de la soie. »

L’équipe du Pr Gosselin avait démontré les principes derrière la fabrication de ces fibres dans un article publié en 2015. L’étude du Cell Reports Physical Science dévoile maintenant comment celles-ci se comportent une fois entremêlées sous la forme d’une toile.

Shibo Zou, premier auteur de l’étude, a profité de l’occasion pour illustrer comment pareille toile pourrait se comporter à l’intérieur d’un écran protecteur. Après avoir encastré une série de toiles dans des plaquettes d’une résine transparente, il a procédé à des tests d’impact. Résultat : les plaquettes de plastique ont dissipé jusqu’à 96 % de l’énergie d’un impact sans casser. Au lieu de se fissurer, elles se sont plutôt déformées localement, préservant l’intégrité des plaquettes.

Les chercheurs ont assemblé une série de séquences vidéo pour documenter leurs travaux. Une version courte est disponible sur YouTube, alors que la version longue, qui comporte des explications additionnelles, se trouve sur le site de la publication.

Selon le Pr Gosselin, cette innovation inspirée de la nature pourrait mener à la fabrication d’un nouveau type de vitres pare-balle, ou conduire à la fabrication d’écrans protecteurs en plastique durable pour les téléphones intelligents. « On pourrait aussi s’en servir en aéronautique comme enveloppe protectrice des moteurs d’avion », souligne le chercheur.

En attendant, il compte bien explorer les possibilités qui pourraient se présenter à lui avec cette approche.

Professeur Gosselin et son équipe ont obtenu le support du Fonds de Recherche du Québec: Nature et Technologies (FRQNT), du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (NSERC) et de la Fondation canadienne pour l’Innovation (FCI).

Référence : Shibo Zou, Daniel Therriault, Frédérick Gosselin, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite. Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite. Cell Reports Physical Science 28 Octobre 2020. DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240