Champaign, Ill. – Des millions d’années d’évolution ont permis à certains animaux marins de développer des coquilles de protection complexes composées de plusieurs couches qui fonctionnent ensemble pour dissiper le stress physique. Dans une nouvelle étude, les ingénieurs ont trouvé un moyen d’imiter le comportement de ce type de matériau en couches, comme le nacre de coquille, en programmant des couches individuelles de matériau synthétique pour travailler en collaboration sous le stress. La nouvelle conception des matériaux est prête à améliorer les systèmes absorbant l’énergie tels que les bandages portables et les pare-chocs de voiture avec des réponses à plusieurs étages qui s’adaptent à la gravité des collisions.
De nombreuses études antérieures se sont concentrées sur l’ingénierie inverse pour reproduire le comportement des matériaux naturels comme les os, les plumes et le bois pour reproduire leurs réponses non linéaires à la contrainte mécanique. Une nouvelle étude, dirigée par l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, le professeur d’ingénierie civile et environnementale Shelly Zhang et le professeur Ole Sigmund de l’Université technique du Danemark, ont semblé au-delà de l’inverse pour développer un cadre pour les matériaux multicouches programmables capables de répondre aux perturbations locales par les interconnexions microscopiques.
Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.
« Ce travail est né d’une discussion avec mon collaborateur, le professeur Sigmund, sur la façon dont nous pouvons déjà réaliser des comportements très extrêmes, mais il y a toujours une limite physique ou une limite supérieure que les matériaux uniques peuvent réaliser, même avec la programmation », a déclaré Zhang. « Cela nous a amenés à considérer quel type d’ingénierie pourrait permettre à certains des comportements de matériaux fous nécessaires dans la vie réelle. Par exemple, les comportements de flambement extrêmes pourraient aider à dissiper l’énergie pour des choses comme les pare-chocs de voiture. »
C’est à ce moment que l’équipe a tourné leur attention vers les matériaux biologiques avec plusieurs couches servant un objectif différent, et comment il pourrait fabriquer un matériau synthétique et utiliser la programmation et l’optimisation à l’échelle à l’échelle à l’échelle interne pour contrôler sa réponse à la contrainte et à la déformation mécaniques.
« Nous avons atterri sur l’idée de concevoir des matériaux multicouches, chaque couche étant capable de présenter différentes propriétés et comportements », a déclaré Zhang.
Mais ne s’arrêtant pas là, l’équipe s’est poussée à inclure la capacité des couches individuelles à collaborer à se comporter essentiellement collectivement comme une seule.
« Notre nouveau cadre présente plusieurs avantages par rapport aux méthodologies existantes pour les réponses non linéaires à la contrainte », a déclaré Zhang. « Il optimise les couches multiples de type Nacre ainsi que leurs interconnexions dans une configuration de continuum, qui élargit considérablement l’espace de conception par rapport à des travaux similaires impliquant une configuration unique ou des structures de réseau. »
Pendant la fabrication, l’équipe a appris quelques leçons. L’idée théorique derrière ce travail est d’avoir un matériel infiniment périodique. Pourtant, l’équipe doit fabriquer des unités finies, et il était à prévoir que le matériau théorique et le matériau fabriqué réel présentent différents comportements.
Cliquez ici pour voir une vidéo expliquant les détails des processus d’optimisation, de fabrication et de validation expérimentale de cette recherche.
« L’écart que nous avons trouvé est quelque chose qui se produira toujours dans la vraie vie », a déclaré Zhang. «Mais nous pouvons exploiter ces informations pour programmer intentionnellement la séquence du flambement de chacune des cellules individuelles dans l’assemblage, stocker des informations à l’intérieur, puis plus tard, nous pouvons décoder les informations. Il était fascinant de capturer cet écart et pour qu’il finisse par fournir des informations nécessaires pour améliorer le travail.»
Cliquez ici pour une vidéo expliquant les détails du processus de codage des informations pour cette recherche.
Il y a encore beaucoup de travail à faire pour développer la fabrication de ce type de matériel, mais Zhang a dit qu’une chose précieuse apprise de cette étude est que lorsque les gens collaborent, ils réalisent des choses beaucoup plus grandes.
« Je pense que cela fonctionne de même pour les matériaux », a déclaré Zhang. «Lorsque différents matériaux travaillent collectivement ensemble, ils peuvent faire des choses qui ont beaucoup plus d’impact que s’ils font des choses individuellement.»
Zhang est également affilié à la science mécanique et à l’ingénierie et au National Center for Supercomputing Deescations à l’Illinois.
Pour atteindre Shelly Zhang, appelez le 217-300-1815; Envoyez un courriel à zhangxs@illinois.edu.
Le papier «Extreme non linéarité par des matériaux en couches à travers
Design inverse »est disponible en ligne. doi: 10.1126 / sciadv.adr6925
Le génie civil et environnemental et les sciences et l’ingénierie mécaniques font partie du Grainger College of Engineering.
Lois Yoksoulian
Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, Bureau de nouvelles
leyok@illinois.edu
Bureau: 217-244-2788
Shelly Zhang
L’Université de l’Illinois Urbana-Champaign
zhangxs@illinois.edu
Bureau: 217-300-1815
