Des scientifiques de l’Université royale de Melbourne (RMIT) en Australie et du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) en France ont collaboré pour développer le premier métamatériau hybride à treillis ouvert en titane-polymère au monde. Non seulement il flotte à la surface de l’eau, mais il résiste également mieux à la corrosion marine que l’acier inoxydable ou les plastiques haute densité actuellement utilisés pour les quais, les bouées et les capteurs flottants. Cette nouvelle invention surmonte le problème fondamental de la flottabilité des structures en treillis métallique. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de la revue Advanced Materials.
Bouée imprimée en 3D utilisée lors des tests. Crédit : Université royale de Melbourne (RMIT)
Les métamatériaux à treillis métallique ont démontré un potentiel révolutionnaire dans des domaines tels que la biomédecine, l’aérospatiale, la défense et le génie thermique, mais leur application dans le milieu marin a longtemps été entravée. La raison en est que, bien que les treillis métalliques puissent être extrêmement légers — avec une densité inférieure à un dixième de celle de l’eau — leurs espaces ouverts et interconnectés laissent pénétrer l’eau, ce qui fait couler la structure.
Dans cette dernière étude, l’équipe a créé cette nouvelle structure en remplissant les piliers creux en titane avec de la mousse de polyuréthane. Même après de graves fissures ou dommages, lorsque l’eau circule à l’intérieur, la structure reste capable de flotter à la surface. Les échantillons ont flotté en continu dans l’eau douce pendant plus de deux mois, confirmant leur flottabilité durable.
L’équipe a proposé une nouvelle méthode appelée « densité du squelette » pour déterminer si une structure ouverte peut flotter. Le calcul de densité traditionnel inclut tous les espaces ouverts du treillis dans le volume, mais ces espaces, une fois remplis d’eau, ne contribuent plus à la flottabilité. La densité du squelette, elle, ne prend en compte que la partie de la structure qui n’absorbe pas l’eau, comme les parois en titane et les canaux remplis de mousse scellée. Cela offre aux ingénieurs un critère de conception simple : tant que la densité du squelette est inférieure à celle du liquide environnant, la structure peut flotter, même si l’eau traverse toutes les ouvertures externes.
Les tests montrent qu’à densité totale égale, la nouvelle structure en titane est 70 % plus résistante que l’acier inoxydable ou le polyéthylène haute densité largement utilisés en milieu marin. Elle a également bien performé lors des essais de corrosion à court terme en eau de mer — après deux semaines d’immersion, la masse du treillis n’a perdu que 0,15 % et sa résistance a diminué de moins de 1 %.
Plus important encore, même en cas de dommages graves tels que des fissures, la défaillance de points de connexion critiques, voire la rupture d’une couche entière du treillis, le treillis hybride conserve sa flottabilité. Ce n’est que lorsqu’il est sévèrement écrasé et compacté qu’il coule. Cela souligne son potentiel à rester à flot malgré des dommages structurels sévères.
En utilisant cette nouvelle structure, l’équipe a imprimé en 3D une bouée marine qui est restée stable même inclinée à 45 degrés dans un réservoir d’eau de mer turbulente, sans nécessiter de gaine d’étanchéité, de revêtement de protection ou de flotteurs supplémentaires.