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Une équipe internationale de chercheurs académiques et industriels présente dans Science un nouveau concept de fabrication d’élastomères aussi solides et résistants à la rupture que la plupart des élastomères actuels, qui sont renforcés par des additifs (particules inorganiques).
Le nouveau procédé a été conçu pour dissiper l’énergie de déformation dans la masse, par la rupture d’un grand nombre de liaisons sacrificielles, de sorte qu’elle est distribuée sur un grand volume plutôt que canalisée localement pour propager une fissure. Ce procédé présente un fort potentiel pour être transposé à l’échelle industrielle et ouvre la voie vers une nouvelle génération d’élastomères.
Les chercheurs ont également introduit une nouvelle technique générale pour visualiser la dissipation de l’énergie de déformation par rupture de liaisons. Cette technique permet de localiser et de quantifier le nombre de liaisons sacrificielles qui se rompent.
Costantino Creton, Directeur de recherche CNRS et Étienne Ducrot, Ingénieur ESPCI & Docteur UPMC, au laboratoire Sciences & Ingénierie de la matière molle (ESPCI/CNRS/UPMC). ©ESPCI ParisTech
Résoudre intelligemment des exigences contradictoires
Le principal défi auquel les scientifiques sont confrontés lors de la conception de nouveaux matériaux de pointe est de réaliser une performance globalement supérieure en résolvant des exigences apparemment contradictoires sur leurs propriétés. Par défaut, ces conflits sont d’abord partiellement résolus au travers de compromis ; des gains de performance supplémentaires sont ensuite réalisés par améliorations successives du processus initial.
Finalement, satisfaire l’ensemble de ces exigences apparemment incompatibles exige souvent de repenser complètement le problème et d’inventer un processus entièrement nouveau qui s’appuie sur une innovation conceptuelle.
C’est justement ce qu’à fait une équipe internationale de scientifiques de l’ESPCI ParisTech, du CNRS, de l’UPMC, de la TU Eindhoven et de l’entreprise DSM Ahead dans le domaine déjà largement exploré des caoutchoucs et des élastomères, où l’élasticité mécanique entre souvent en conflit avec la dureté des matériaux et la résistance à la rupture.
En effet, la meilleure solution actuelle développée par l’industrie du caoutchouc pour améliorer la résistance à la rupture des caoutchoucs est d’utiliser des charges inorganiques comme additifs qui aident à dissiper l’énergie de déformation à travers des modes de vibration plutôt que par la rupture de liaisons sacrificielles.
Mais les élastomères sans additifs ont une meilleure élasticité, (pas de dissipation d’énergie au cours d’un cycle extension-contraction), sont plus légers et plus transparents.
L’équipe de scientifiques a donc réfléchi à de nouvelles façons de fabriquer des matériaux dotés d’une excellente élasticité mécanique, mais sans sacrifier leur solidité ni leur résistance à la rupture et en gardant les avantages des élastomères sans additifs (élasticité, légèreté et transparence).
Ils ont finalement eu l’idée de fabriquer des réseaux entrelacés de polymères, dont l’un est pré-étiré par gonflement, de manière à assurer la solidité et jouer le rôle de "fusibles moléculaires" dispersés, pour dissiper l’énergie de déformation par rupture de liaison. Ils ont tiré profit de la capacité spécifique des réseaux élastomères de gonfler lorsqu’ils sont immergés dans un solvant et imaginé que cette dilatation pourrait fournir assez d’espace interstitiel pour un deuxième réseau entrelacé synthétisé in situ.
Plus solide que ses différentes parties : (A) par la combinaison de différents matériaux dont la structure est typiquement un réseau, des matériaux plus solides, à doubles réseaux entrelacés, peuvent être créés. (B) Photo d’un hydrogel dur à double réseau contenant 90% en poids d’eau. ©Takayuki Kurokawa
Ils ont démontré expérimentalement que c’est effectivement le cas et que l’opération de gonflement peut même être répétée pour entrelacer un troisième réseau. Les matériaux obtenus présentent simultanément une élasticité mécanique et une solidité supérieures, ainsi qu’une excellente résistance à la rupture.
Pour démontrer que la solidité vient du fait que le premier réseau est maintenu dans un état étiré par la deuxième (et le troisième) réseau(x) entrelacé(s), et que c’est la rupture des liaisons sacrificielles qui dissipe l’énergie de déformation et assure la résistance à la rupture, les chercheurs ont introduit, dans le premier réseau, des unités moléculaires spécifiques qui émettent de la lumière lorsqu’elles se cassent. Comme montré dans la vidéo, ces unités se comportent comme des sondes et mettent en lumière le mécanisme qui confère au nouveau matériau ses performances uniques.
Les réseaux interpénétrés (dont l’un a été pré-étiré par gonflement) confèrent aux nouveaux élastomères une excellente élasticité et une bonne résistance à la rupture. Les liaisons sacrificielles qui émettent de la lumière lorsqu’elles se cassent permettent de visualiser directement le mécanisme à l’origine de l’augmentation de la solidité du caoutchouc.
Cette méthode est générale et fournit des informations visuelles qui indiquent la perte d’intégrité du premier réseau étendu. Elle permet de localiser dans l’espace là où les liens se brisent et de quantifier le nombre de liaisons brisées. Aussi, cette méthode permet de montrer que le mécanisme fonctionne encore lorsque le matériau est étiré au-delà des extensions atteintes précédemment.
Enfin, ce design à plusieurs niveaux imbriqués offre de nombreux paramètres qui peuvent être ajustés pour modifier les propriétés des matériaux. La malléabilité du processus rend cette nouvelle fabrication particulièrement adaptée à une mise en œuvre à l’échelle industrielle.
Pour aller plus loin
– la référence de l’article :
Toughening Elastomers with Sacrificial Bonds and Watching Them Break
Etienne Ducrot, Yulan Chen, Markus Bulters, Rint P. Sijbesma, Costantino Creton
Science, 11 April 2014, Vol. 344 no. 6180 pp. 186-189
doi : 10.1126/science.1248494
– la vidéo (résultats expérimentaux) :
– Soft Matter Becomes Tough ! : la même page sur le site en anglais
– la thèse d’Étienne Ducrot : "Innovative tough elastomers : Designed sacrificial bonds in multiple networks"
– les autres publications des chercheurs de l’ESPCI ParisTech dans Science & Nature
– le site du laboratoire Sciences & ingénierie de la matière molle, SIMM (ex-Physico-chimie des polymères et des milieux dispersés, PPMD), UMR 7615 CNRS / ESPCI ParisTech / UPMC
– le site de Costantino Creton
– le site de l’Institute of Complex Molecular Systems de la TU Eindhoven
– le site de DSM Ahead
Couverture média (sÉlection)
– Materials both Tough and Soft (Perspective dans Science Magazine)
– Toughening Up Elastomers (Chemical & Engineering News)
– Sterk maar zacht kunstrubber (c2w.nl)
– Research team develops method to strengthen elastomers (Phys.org)
– A New Way to Toughen up Elastomers (Polymersolutions.com)
– КАК СДЕЛАТЬ ЭЛАСТОМЕРЫ ПРОЧНЕЕ ? (Chemport.ru)
– Toughening Elastomers with Sacrificial Bonds and Watching them Break (stemcell8.cn)
– Rint Sijbesma in Science met artikel over nieuw soort kunstrubber (tue.nl)
– Sacrificial bonds for extra toughness (EurekAlert !)
– 为了更大的坚韧度而牺牲键合 (http://blog.sciencenet.cn)
– Elastisch en toch sterk kunstrubber (http://www.kennislink.nl, http://www.qviper.com)
– Как сделать эластомеры прочнее ?. Химия. (wiki.ru)
– ‘Crosslinkers’ laten zien waar kunstrubber breekt (http://www.engineersonline.nl)
– “牺牲”键合力可强化水凝胶 (ScienceNet.cn)
