La céramique est très résistante à la chaleur, ce qui en fait un choix de prédilection pour gérer les demandes thermiques brutales des véhicules à grande vitesse qui se déplacent plus vite que la vitesse du son. À ces vitesses vertigineuses, l’air comprimé crée une friction importante contre le véhicule, ce qui entraîne une augmentation rapide de la chaleur qu’il rencontre.

La résistance à la chaleur peut être la force de la céramique, mais la tolérance aux dommages est une faiblesse. Un seul impact ponctuel dans une plaque en céramique peut entraîner une propagation rapide de la fissure qui provoque une défaillance totale de la structure. La céramique devient encore moins tolérante aux dommages lorsqu’elle est rendue poreuse pour réduire son poids ; cependant, la diminution du poids est une exigence critique pour de nombreuses applications structurelles, y compris les véhicules à grande vitesse.

L’US Air Force, l’un des sponsors des recherches de Li, s’intéresse depuis longtemps à l’amélioration des performances mécaniques des matériaux céramiques. En plus de recevoir un soutien financier du Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force, l’équipe de Li a également obtenu des fonds de la National Science Foundation.

Ces fonds combinés, reçus par le laboratoire en 2018, ont permis aux chercheurs d’explorer de nouveaux principes de conception intégrés dans les solides cellulaires céramiques naturels formés par des organismes tels que les oursins. L’exosquelette d’un oursin est un type de solide cellulaire, ou « mousse », ainsi appelé parce que sa microstructure est un assemblage de cellules ouvertes avec des bords ou des faces solides, emballés ensemble de manière à remplir l’espace. Les espaces entre les cellules les rendent poreuses, créant un matériau qui peut être plus efficace mécaniquement que les structures denses.

Comment gérer les dégâts comme un oursin

« Dans ce travail, nous pensons avoir trouvé certaines des stratégies clés qui permettent à l’oursin d’être fort et résistant tout en offrant une réduction de poids grâce à sa microstructure poreuse », a déclaré Li. « Cet article de Nature Communications rapporte les résultats que nous avons trouvés sur ce qui est caché à l’intérieur. »

Les épines des oursins sont rigides, solides et légères. Ces épines sont constituées d’un minéral fragile appelé carbonate de calcium, qui est similaire à la céramique synthétique, mais l’oursin a une tolérance beaucoup plus élevée aux dommages lorsqu’il reçoit du poids ou de la force. L’équipe de Li a testé ce principe en appuyant mécaniquement sur les épines, simulant le même type de condition dans laquelle une céramique technique pourrait avoir besoin de résister. Les épines d’oursin se déformaient gracieusement sous la force qui leur était appliquée, contrairement à la défaillance catastrophique des solides cellulaires céramiques synthétiques actuels. Ce comportement de « défaillance gracieuse » permet aux épines d’oursin de résister aux dommages avec une capacité d’absorption d’énergie importante.

Au cours de cette recherche, l’équipe de Li a découvert certains secrets qui confèrent à l’oursin sa capacité à tenir ensemble lors d’un chargement mécanique.

Secrets des profondeurs

« Il y a quelques secrets dans les caractéristiques structurelles des épines d’oursins. L’un est lié à la connexion des branches », a déclaré Li. « La seconde est la taille des pores. »

Au microscope, l’équipe de Li a observé une architecture de branches courtes interconnectées. Un réseau de nœuds maintient ces branches ensemble, et l’un des secrets de la tolérance aux dommages de l’oursin est l’équilibre entre le nombre de nœuds et de branches. Ce nombre est précisément critique car les nœuds avec trop de branches connectées rendront la structure plus fragile et cassable. Les nœuds de la structure poreuse des épines d’oursin sont connectés à trois branches en moyenne, ce qui signifie que le réseau de branches subira une fracture induite par la flexion au lieu d’une fracture induite par l’étirement plus catastrophique.

Le deuxième secret réside dans la taille des espaces, ou pores, entre les branches. L’équipe a découvert que les lacunes dans la structure poreuse des épines d’oursin sont juste légèrement plus petites que la taille des branches. Cela signifie qu’une fois les branches cassées, elles peuvent être verrouillées en place immédiatement par ces ouvertures plus petites. Les branches cassées s’empilent les unes sur les autres sur les pores, créant une région dense qui est toujours capable de supporter la charge.

Les oursins ont également une morphologie de surface différente de celle des céramiques synthétiques. Les céramiques cellulaires manufacturées présentent de nombreux défauts microscopiques sur leurs surfaces et à l’intérieur, ce qui rend ces matériaux plus susceptibles de tomber en panne. Ce n’est pas le cas de l’épine dorsale de l’oursin, qui a une surface presque vitreuse, lisse jusqu’à l’échelle du nanomètre. Les défauts sont des points à partir desquels des dommages peuvent commencer, et un manque de défauts signifie un manque d’emplacements sujets à la défaillance.

Li a démontré cette idée avec un morceau de papier. « Lorsque vous essayez de déchirer un morceau de papier non endommagé, le papier résiste à la déchirure. Si vous faites une petite déchirure sur le côté du papier, cependant, la déchirure continuera à partir de ce point endommagé. »

Avec des branches, des pores et une surface lisse en jeu, les épines légères d’oursin atteignent une résistance élevée et une tolérance aux dommages en répartissant uniformément la contrainte dans la structure et en absorbant l’énergie plus efficacement.

Fabriquer la prochaine génération de céramiques

Ayant ces connaissances, pouvons-nous recréer la douceur, l’absence de défauts et les structures spécifiques de branches et de nœuds nécessaires pour capitaliser sur les secrets de l’oursin ? À l’heure actuelle, nous ne pouvons pas, car les méthodes actuelles de traitement de la céramique ne sont pas tout à fait là.

Les céramiques fabriquées synthétiquement sont généralement formées dans un processus en deux étapes. La première étape consiste à créer la forme, et la seconde consiste à cuire la pièce afin que la céramique durcisse, ce qui lui donne la résistance pour laquelle elle est connue. Les potiers suivent cette méthode lorsqu’ils créent un pot et le chauffent dans un four. Des processus similaires sont également utilisés pour les céramiques imprimées en 3D, où l’étape d’impression 3D forme la forme, puis une cuisson ultérieure est nécessaire pour produire les pièces en céramique finales.

Cette étape de cuisson, ou frittage, est la plus problématique pour recréer la microstructure de l’oursin car le processus de frittage conduit à la formation de défauts microscopiques, ce qui rend la résistance faible.

« Dans mon laboratoire, nous nous intéressons également à la façon dont des organismes tels que les oursins forment ces solides cellulaires céramiques naturels », a déclaré Li. « J’espère qu’un jour, nous pourrons non seulement intégrer les principes de conception des matériaux aux matériaux céramiques légers bio-inspirés, mais également les stratégies de traitement des matériaux apprises des systèmes naturels. »