De nouveaux matériaux composites ultra-résistants inspirés d’un crustacé frappeur


Les squilles, ou crevettes-mantes, sont la source d’inspiration originale de nouveaux matériaux composites à haute résistance développés par les chercheurs de l’Université Riverside de Californie (UCR) et de l’Université de Purdue.

En particulier, les chercheurs ont été inspirés par la capacité de ce petit crustacé multicolore à écraser les coquilles de ses proies en utilisant ses pattes ravisseuses. D’après Wikipedia :

Les espèces « frappeuses » comptent parmi les animaux les plus rapides du règne animal : leurs appendices ravisseurs atteignent la vitesse de 31 m/s (112 km/h). Leur frappe délivre une puissance équivalente à près de 100 kg en 2 millièmes de seconde sur une surface très réduite, ce qui équivaut à une accélération proche de celle d’une balle de pistolet (10 400 g soit 104 000 m/s2).

Dans une publication d’Advanced Materials, les chercheurs décrivent la structure en épi unique, observée pour la première fois dans la nature, dans la couche supérieure des pattes ravisseuses.

Mantis shrimp graphic

Structure en épis de la couche extérieure (zone d’impact) de la patte ravisseuse de la squille. Photo UC Riverside.

C’est cette structure en épis extrêmement résistante qui permet non seulement à la patte de résister au coup, mais aussi d’infliger des dégâts spectaculaires à la proie.

Elle est constituée de phosphate de calcium (le composé minéral que l’on retrouve dans les os humains) cristallin, entourant des fibres organiques en chitine. Ces fibres sont compactées pour former une structure en épis inédite, significativement plus rigide que le reste de la patte.

La structure interne de la patte a des capacités d’absorption d’énergie en filtrant les ondes de cisaillement : c’est également un matériau composite, constitué d’une phase organique hélicoïdale de chitine – un composé que l’on retrouve dans les carapaces des crustacés et des insectes – et une phase inorganique de phosphate de calcium amorphe et de carbonate de calcium.

La couche la plus externe de la zone d’impact est encore différente : c’est un revêtement chargé très fin, qui contribue à diffuser les contraintes.

Les chercheurs ont d’abord reproduit ces structures et compris leur comportement en analyse par éléments finis. Les modèles ont révélé que la structure en épis permettait de redistribuer les contraintes et de dévier les fissures, évitant ainsi les concentrations qui auraient pu mener à la rupture.

Des essais en compression, sur des échantillons en matériaux synthétiques imprimés en 3D, ont confirmé ces hypothèses.

Les récents développements de l’impression 3D permettent de reproduire ces structures (y compris le sandwich matériau d’âme absorbant/couche durcie en épi) avec des matériaux traditionnels, comme les résines polymères et les fibres de carbone.

Un démonstrateur de casque a été fabriqué, et les secteurs d’application envisagés incluent l’aéronautique, l’automobile et le blindage. L’industrialisation est confiée à la start-up Nature Inspired Industries, dirigée par David Kisailus, qui mène ces recherches depuis huit ans.

Source :  « Mantis Shrimp Inspires Next Generation of Ultra-Strong Materials », par Sarah Nightingale, UCR Today, le 31 mai 2016
Auteur de la photo en page d’accueil : Silke Baron —initialement postée sur Flickr sous le titre Mantis Shrimp (Odontodactylus Scyllarus), sous licence CC BY 2.0,


A propos de Magalie Castaing

Après 10 ans d’ingénierie mécanique dans le secteur de la défense, j’ai créé une entreprise de développement web Kasutan.           Le journal du composite est l’intersection de mes différents métiers : ingénierie, langues et internet.