En 2024, des chercheurs du Soft Materials Laboratory (SMaL) de l’École d’ingénierie de l’EPFL ont introduit les élastomères granulaires à double réseau (DNGE) : des matériaux caoutchouteux composés de particules d’élastomère microscopiques reliées par un réseau d’élastomère plus souple. Les DNGE ont été conçus comme des « encres » d’impression 3D pour des structures aux propriétés mécaniques finement ajustées.
Aujourd’hui, l’équipe a publié une étude de suivi dans Science Advances montrant que la même architecture qui permet aux DNGE d’être imprimés en 3D avec un contrôle mécanique sans précédent offre également un avantage inattendu : une forte résistance à la fois à la fracture et à la fatigue. Il s’agit d’une combinaison rare, car les élastomères qui résistent à la fracture accumulent généralement des dommages sous contrainte mécanique répétée, limitant leur durée de vie, tandis que ceux qui résistent à la fatigue sont souvent sujets à la rupture s’ils sont soumis à des étirements ou à des chocs excessifs.
« À l’origine, notre objectif était d’améliorer la processabilité, mais une fois que nous avons eu la structure granulaire, nous avons découvert que ces matériaux sont également très résistants, » déclare Esther Amstad, responsable du Soft Materials Laboratory. « Ensuite, nous avons réalisé qu’une grande partie de cette résistance provenait de mécanismes répétitifs de dissipation d’énergie – le matériau pouvait absorber de l’énergie encore et encore sans se casser irréversiblement. »
Amstad explique que les DNGE sont capables de surmonter le compromis typique entre résistance à la fracture et résistance à la fatigue grâce à leur structure interne unique et variée.
« Essentiellement, les deux réseaux différents – l’un constitué de particules d’élastomère granulaires et l’autre d’élastomère souple – se partagent la contrainte mécanique, rendant le matériau globalement plus résistant. »
Des matériaux avancés plus durables
Lors d’expériences, les DNGE optimisés ont démontré des valeurs de ténacité à la rupture jusqu’à 15 fois supérieures à celles d’élastomères comparables, et des valeurs de résistance à la fatigue jusqu’à trois fois supérieures.
Lorsqu’ils sont étirés, les matériaux redistribuent la contrainte mécanique des microparticules rigides vers les régions plus souples situées entre elles. Là, l’énergie de déformation peut être dissipée de manière répétée par le glissement et le réarrangement des chaînes polymères, plutôt que par la rupture irréversible des liaisons polymères, limitant ainsi les dommages permanents.
La structure granulaire des DNGE modifie également la façon dont les fissures se propagent à travers eux. Plutôt que de suivre un chemin droit, les fissures préfèrent traverser les régions plus souples entre les microparticules d’élastomère, produisant un trajet sinueux qui ralentit leur croissance et retarde la rupture.
Ces résultats suggèrent que l’architecture des matériaux du SMaL, développée à l’origine pour permettre l’impression 3D avancée, pourrait également offrir une nouvelle stratégie pour concevoir des matériaux souples plus durables. Ces matériaux pourraient contribuer à prolonger la durée de vie des robots souples, de l’électronique et des dispositifs biomédicaux, où les composants sont soumis à des contraintes et déformations répétées sur de longues périodes.
L’équipe travaille déjà à optimiser davantage son matériau pour la durabilité, par exemple en utilisant des élastomères biodégradables et ceux issus de matériaux recyclés.
« Notre objectif est de mettre en œuvre des matériaux plus durables sans compromettre la mécanique, » déclare Amstad. « En élargissant la gamme de matériaux que nous pouvons utiliser, nous pouvons non seulement réduire l’empreinte environnementale des DNGE, mais aussi les rendre encore plus largement accessibles à tout laboratoire disposant d’une imprimante 3D commerciale. »
Article : Fatigue-resistant and tough double network granular elastomers – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : EPFL
