Des nanocomposites inspirés par la biologie

Des matériaux légers et durables permettent des avancées dans des domaines comme les véhicules électriques, les implants chirurgicaux ou les éoliennes. Une difficulté majeure est le manque de résistance typique des matériaux poreux. Des scientifiques ont donc lancé le projet ACIN («Advanced composites inspired by nature»), financé par l'UE, pour mettre au point de nouvelles techniques de fabrication de nanocomposites à base de céramiques, inspirés par la biologie et reproduisant les mécanismes de renforcement qui confèrent des propriétés mécaniques exceptionnelles aux matériaux biologiques.

Les chercheurs se sont intéressés à associer le freeze casting (gel contrôlé de suspensions de particules aqueuses) et le frittage par plasma d'arc. Le freeze casting soulève de plus en plus d'intérêt ces dernières années, notamment pour fabriquer des composites en céramiques, pures ou mixtes (avec des polymères).

Ce processus de fabrication de matériaux poreux est assez simple, et consiste à geler une suspension aqueuse puis à sublimer l'eau. Il autorise un excellent contrôle de la structure. De son côté, le frittage par plasma d'arc est un nouveau processus révolutionnaire pour consolider une poudre par auto-chauffage. Par rapport aux méthodes classiques de frittage, il est plus rapide et fonctionne à des températures inférieures.

Les scientifiques ont commencé par étudier les effets des conditions de traitement et de la composition de la suspension sur l'architecture de matrices obtenues par freeze casting à partir de céramiques et de matériaux nanocarbonés. Les informations obtenues ont orienté la conception de méthodes pour aligner les couches (lamelles) de céramique durant la congélation. Les travaux sur les céramiques et le carbone nano-structuré ont conduit à des structures poreuses de carbure de silicium, très performantes et de morphologies variées. Les chercheurs ont aussi mis au point une nouvelle méthode pour fabriquer des composites carbone-céramiques, hautement structurés et conduisant l'électricité.

Les chercheurs se sont alors intéressés à l'utilisation du frittage par plasma d'arc, pour augmenter la densité de composites carbone-céramiques. Ils ont fabriqué des structures de type nacre, à partir de céramiques et de minces couches de carbone. Enfin, ils ont mis au point à partir de graphène des réseaux cellulaires complexes, aux propriétés physiques ajustables. L'équipe a étudié leur potentiel en tant que nanocomposites de type épidermique, sensibles, conduisant l'électricité et auto-réparateurs.

Les progrès d'ACIN inspirés par la biologie, en matière de fabrication hautement contrôlée de composites poreux de nanocarbone et de céramiques, ouvrent la voie à des systèmes plurifonctionnels, très résistants et convenant à divers usages. Ils pourraient résoudre certains des problèmes majeurs en matière de génération et de transport de l'électricité, d'implants orthopédiques et même de peau électronique.