L'EPFL suisse développe un élastomère imprimé en 3D avec une ténacité 15 fois supérieure et une résistance à la fatigue multipliée par 3

fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse ont mis au point un élastomère imprimable en 3D alliant une haute résistance à la rupture et une haute résistance à la fatigue, résolvant ainsi le compromis clé qui limitait jusqu'à présent l'utilisation des matériaux souples dans la robotique, l'électronique portable et les dispositifs biomédicaux.

Cette étude, menée par le Soft Materials Laboratory, a été publiée dans Science Advances. Les résultats montrent que la version la plus performante, appelée élastomères granulaires à double réseau (double network granular elastomers, DNGEs), présente une ténacité à la rupture 15 fois supérieure et une résistance à la fatigue 3 fois supérieure à celles des élastomères à réseau unique et des élastomères à double réseau massif de composition chimique identique.

La structure des DNGEs est constituée de particules d'élastomère rigides reliées par un second réseau polymère plus souple. Les chercheurs ont initialement conçu cette structure pour que le matériau puisse être extrudé comme une encre d'impression 3D, avec des propriétés mécaniques finement contrôlables.

L'équipe, incluant l'auteure correspondante Esther Amstad, a découvert que cette architecture permet également au matériau de dissiper de l'énergie mécanique de manière répétée sans accumuler de dommages permanents. L'étude souligne que cette combinaison est très rare : les élastomères résistants à la rupture se dégradent généralement sous contrainte répétée, tandis que ceux résistants à la fatigue se rompent facilement lorsqu'ils sont trop étirés.

Amstad, directrice du Soft Materials Laboratory de l'EPFL, indique que l'objectif initial était d'améliorer la transformabilité, mais qu'une fois la structure granulaire formée, ils ont constaté que ces matériaux étaient également très résistants. Elle explique que cette ténacité provient en grande partie d'un mécanisme de dissipation d'énergie répétée, le matériau pouvant absorber de l'énergie de manière répétée sans se rompre de façon irréversible.

Lorsqu'ils sont étirés, les DNGEs transfèrent la contrainte mécanique des particules plus rigides vers les zones interstitielles plus souples situées entre elles, où les chaînes polymères peuvent glisser et se réorganiser pour dissiper l'énergie, plutôt que de se rompre de manière irréversible. Amstad explique qu'essentiellement, deux réseaux distincts — l'un composé d'élastomère granulaire et l'autre d'élastomère souple — partagent la contrainte mécanique entre eux, rendant le matériau globalement plus résistant. L'étude indique également que la structure granulaire force les fissures à se propager le long de chemins sinueux à travers les zones interstitielles plus souples, plutôt que selon un chemin rectiligne, ralentissant ainsi leur croissance et retardant la défaillance.

En exploitant l'imprimabilité du matériau, les chercheurs ont fabriqué par impression 3D des composites à composition locale variable, notamment des structures renforcées par des fibres et des conceptions cœur-gaine inspirées des fibres de byssus de moule, alliant rigidité et ténacité et résistance à la fatigue généralement réservées aux formulations plus souples. Ces encres ont été extrudées à l'aide d'une imprimante 3D commerciale.

L'équipe travaille actuellement à la formulation d'élastomères à partir de matériaux biodégradables et recyclés. Amstad indique que l'objectif est d'utiliser des matériaux plus durables sans compromettre les propriétés mécaniques. En élargissant la gamme de matériaux utilisables, cela permettrait non seulement de réduire l'empreinte environnementale des DNGEs, mais aussi de les rendre plus accessibles à tout laboratoire disposant d'une imprimante 3D commerciale.