Le biomimétisme, vous connaissez? C’est quand la nature sert d’inspiration à l’humain pour améliorer son quotidien. C’est exactement ce qui est arrivé dans ce cas-ci. Une équipe du département de génie mécanique de l’Université McGill, menée par le professeur François Barthelat, vient de développer une nouvelle technique pour augmenter la résilience du verre. Pour ce faire, ils se sont inspirés de la nature. Dans leur laboratoire de biomimétique, ils ont incorporé des structures et des mécanismes trouvés dans la nature afin de rendre un matériau très fragile comme le verre, un peu plus déformable et apte à absorber l’énergie d’un impact.
Structure de la nacre (Crédits photo : François Barthelat)
Matériaux minéralisés
Les matériaux qu’ils ont utilisés contiennent beaucoup de minéraux comme nos os ou l’émail de nos dents. Un certain coquillage les a aussi inspirés : celui de l’abalone qu’on appelle aussi ormeau, dont la coquille est très nacrée. La structure de la nacre, comme celle des dents, est étudiée depuis longtemps, car elle allie ténacité et dureté ou résistance à la déformation. Une combinaison que l’on ne retrouve pas dans les matériaux synthétiques.
L’équipe de chercheurs a tenté de comprendre comment la nature arrive à créer des matériaux faits de plus de 90 % de minéraux, donc très fragiles, mais qui absorbent l’énergie et résistent aux fissures. Et quoi de mieux, comme équivalent aux minéraux naturels, que le verre. C’est un matériau assez dur, pas très déformable et très fragile, dans lequel les fissures se propagent très rapidement. On n’a qu’à se rappeler ce qui arrive quand on échappe du verre. Il explose en milliers de petits morceaux. Il est parfait pour tenter de répliquer ce que la nature enseigne et pour y constater des résultats probants.
Petites lignes ajoutées sur des lamelles de verre par cette technique en vue d’augmenter la résilience du verre.
(Crédits photo : M. Mirkhalaf)
Une bonne gestion des fissures
François Barthelat explique que la nature leur a enseigné comment faire une bonne gestion des fissures. La nacre, par exemple, recouvrant l’intérieur de certaines coquilles de mollusques, contrôle dans un certain sens, la trajectoire des fissures. Elle est faite de petites tablettes qui ressemblent à des blocs Lego. Cependant, l’équipe n’a pas voulu regarder ce matériau comme un assemblage de petites briques, mais plutôt comme un grand bloc plein de petits chemins. De là, leur idée de fissurer le verre. Mais l’important est de contrôler la trajectoire des petits chemins pour les mettre dans des configurations qui empêcheront les fissures de progresser. Ainsi, les fractures seront moins importantes et le matériau aura plus de résistance.
La clé du succès : des pièces de casse-tête
Pour faire ces petits chemins, ils utilisent un équipement simple : un laser. Ils tracent des petites lignes, un peu ondulées, pour créer des formes assez régulières et périodiques, vraiment à l’image des pièces d’un casse-tête. Le but? Un blocage géométrique qui rendra plus difficile la fracture du verre.
Pensez à la difficulté qu’on a à séparer deux morceaux de puzzle. C’est difficile parce qu’il y a de la friction entre les pièces. Et la friction est un mécanisme qui absorbe de l’énergie. Physiquement parlant, le verre est fragile parce qu’il n’a aucun mécanisme d’absorption d’énergie. Donc, quand l’objet tombe, de l’énergie cinétique se crée, mais le verre ne peut pas l’absorber et se casse. L’ajout de ces lignes permet alors l’absorption d’énergie et le rend plus résistant.
Leur méthode a été testée sur des petites lamelles de verre, vous savez, comme celles qu’on utilise avec les microscopes? Et les résultats sont probants. La lamelle modifiée par cette technique de microfissures est 200 fois plus résiliente que la lamelle originale.
Application au quotidien
De par sa définition, le biomimétisme est censé inspirer l’humain à résoudre des problèmes du quotidien en imitant la nature. À quoi peut donc servir cette nouvelle technique? Comme elle peut s’appliquer à température ambiante, sans nécessiter un équipement trop spécial à part le laser. Il est alors assez aisé d’imaginer son utilisation, sans trop de complications, directement sur des fenêtres déjà installées sur des maisons ou des voitures.
Par contre, à ce stade-ci de l’expérimentation, à l’instar de la nacre, ces petites lignes sont visibles sur le verre traité. Ce n’est pas nécessairement évident sur un pare-brise de voiture! L’équipe travaille à les rendre invisibles en insérant du polymère dans les petits chemins.
Malgré le fait que l’ingénieur François Barthelat puisse difficilement estimer dans combien de temps elle pourra être commercialisée, il me dit que depuis que leur article a été publié, plusieurs compagnies dans des domaines industriels se sont montrées intéressées par cette technique. Afin de la rendre encore plus polyvalente, l’équipe s’affaire maintenant à appliquer cette méthode sur d’autres matériaux comme des polymères et des céramiques. C’est à suivre.
Pour plus de détails sur cette étude, on peut retrouver l‘article de l’équipe de François Barthelat dans le magazine Nature Communications.
