Des matériaux de pointe tels que le graphène - une mince couche de carbone épaisse d'un atome - deviennent chaque jour plus légers, plus solides et plus faciles à produire, offrant ainsi un nouveau potentiel pour transformer les industries du dessalement de l'eau aux cellules solaires et à la détection des maladies.
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Mais il manque encore à nos matériaux synthétiques une qualité tant recherchée qui se produit naturellement dans les racines des plantes et de la peau humaine: la capacité de se soigner soi-même.
Une équipe dirigée par Scott White de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a décidé de changer cela en ajoutant un système vasculaire artificiel au plastique. L'idée est de remplir les pseudo-veines du matériau avec des liquides chimiquement réactifs afin que, lorsque le plastique est déchiré, les substances puissent se combiner et se solidifier comme du sang coagulant, protégeant ainsi l'objet de tout autre dommage.
Dans une vidéo de démonstration, l'équipe teste la technique sur un bloc en plastique, pompant deux liquides à travers des canaux séparés dans l'objet avant de percer le matériau avec un foret de 4 millimètres. La plaie de la perceuse a créé des fissures qui ont libéré les canaux liquides, mais grâce au système vasculaire, les liquides ont coulé dans le trou et se sont fissurées, formant ainsi un gel épais qui empêche la propagation des dommages. Selon l'équipe, le gel s'est solidifié en l'espace de trois heures et a finalement retrouvé une résistance d'environ 60% supérieure à celle du matériau d'origine.
Les chercheurs envisagent d’utiliser cette technologie pour tout protéger, des équipements militaires aux matériaux de construction, ce qui permettrait d’économiser du temps et de la main-d’œuvre dans les situations d’urgence ou sur les chantiers difficiles à atteindre.
Le processus de mélange et de solidification chimique peut sembler familier à quiconque a déjà utilisé de la résine époxy achetée dans une quincaillerie. Mais Brett Krull, un co-auteur de la recherche, explique que l'équipe s'est éloignée des époxydes, principalement en raison de la lenteur de leurs temps de réaction.
Bien qu’il produise un effet similaire à celui des époxydes, le nouveau plastique permet de réparer plus rapidement les dommages, ajoute Krull.
La différence fondamentale
"Nous avons conçu notre système pour qu'il subisse deux transitions différentes", alors que la résine époxy fonctionne différemment, dit Krull. "Deux réactions chimiques sont déclenchées dès le mélange, mais elles se produisent à des échelles de temps très différentes."
Krull dit que la première réaction transforme le mélange en un gel doux en moins de 30 secondes. Ceci maintient les produits chimiques en place à l'intérieur de la zone endommagée tout en permettant la livraison de plus de fluides dans le trou ou la fissure jusqu'à ce qu'il soit rempli. La deuxième réaction, qui transforme les produits chimiques en un solide, se produit ensuite, à une vitesse qui peut être contrôlée en modifiant la composition et les concentrations des produits chimiques.
«Notre chimie n’approche pas de la complexité d’un système naturel», explique Krull, «mais nous avons conçu un système avec une réponse aux dommages qui dépend du temps.»
White et son équipe ont démontré leur capacité à cicatriser différemment les fissures microscopiques en utilisant des microsphères époxy et intégrées. Mais la nouvelle approche vasculaire permet une réparation à une échelle beaucoup plus grande. Cette technique pourrait par exemple être utilisée pour réparer une entaille sur le côté d’une foreuse sous-marine ou une empreinte sur un vaisseau spatial qui entre en collision avec un météore.
Les chercheurs sont toujours confrontés à des défis alors qu'ils continuent à développer des matériaux auto-auditeurs, y compris comment augmenter l'efficacité des réseaux vasculaires dans le matériau (le plastique dans ce cas) sans réduire de manière significative sa résistance ou ses performances. L'équipe souhaite également donner au matériau la possibilité de guérir de multiples "blessures" au fil du temps.
Les produits chimiques devront également probablement être ajustés pour traiter de plus grandes zones de dommages. Selon New Scientist, des trous de plus de 8 mm dans le matériau ont provoqué l'affaissement des produits chimiques. L'équipe pense que l'utilisation de mousse dans les canaux au lieu de fluide permettra au matériau de guérir de plus grandes surfaces, bien que les chercheurs n'aient pas encore testé cette option.
Krull dit qu'ils chercheront également à rendre le matériau efficace dans différents environnements, comme les températures extrêmes, sous l'eau ou dans l'espace. (Jusqu'à présent, les tests ont principalement été effectués en laboratoire).
Bien que la technologie puisse un jour se retrouver dans les produits grand public, ne vous attendez pas à ce que ces matériaux auto-réparateurs réparent comme par magie la face arrière de votre iPhone ou le pare-chocs de votre voiture. La technologie en est encore à ses débuts, dit Krull. Et comme la recherche est financée par l'US Air Force, elle sera probablement utilisée en premier lieu sur les avions de combat, les chars ou les vaisseaux spatiaux, ainsi que sur des dispositifs difficiles à réparer, tels que des équipements de forage sous-marins.
Mais ce n’est que le début de ce que le matériel pourrait faire, dit Krull.
«La version actuelle ressemble plus à une cicatrice, car le matériau cicatrisé n'est pas aussi bon que l'original», explique Krull. «Notre objectif à long terme est de développer un polymère véritablement régénérateur dans lequel le matériau perdu à la suite d’un dommage peut être remplacé par un matériau de même composition.»
