Une nouvelle technique a été utilisée pour transformer les métaux ordinaires en « bois métallique » avec un rapport résistance/poids nettement amélioré. En manipulant des matériaux à l’échelle atomique, des scientifiques de la School of Engineering and Applied Science de l’Université de Pennsylvanie, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et de l’Université de Cambridge assurent avoir créé une feuille de nickel aussi solide que le titane mais jusqu’à cinq fois plus légère.

Aussi fort que l’acier, c’est un cliché, mais c’est vrai. L’acier est si solide et si abordable qu’il est difficile pour une personne moyenne passe sa journée à en voir des tonnes sous forme de ponts, de véhicules, de supports de bâtiments et de béton armé, pour ne citer que quelques exemples.

Cependant, l’acier et les autres métaux que nous utilisons tous les jours sont loin d’être aussi solides qu’ils pourraient l’être. La structure cristalline qui compose les métaux comme l’acier, l’aluminium et le titane leur donne leur résistance et leur flexibilité, mais cette structure est imparfaite, de sorte que les forces appliquées aux métaux sous contrainte font glisser les atomes qui s’y trouvent et que la structure tombe bien en dessous de la limite de résistance théorique du métal. Le titane, par exemple, serait 10 fois plus résistant s’il avait une structure idéale.

Feuille de bois métallique sur support plastique

Une façon de surmonter ce problème peut être trouvée dans le bois ordinaire. La cellulose pure, qui est un élément majeur du bois, est une pâte pâteuse, mais lorsqu’elle est formée dans la structure complexe du bois, elle devient si solide que le bois et l’acier commercial, poids pour poids, ont une résistance comparable. La raison pour laquelle l’acier semble beaucoup plus résistant est qu’il est beaucoup plus dense.

Dirigée par James Pikul, professeur adjoint au département de génie mécanique et de mécanique appliquée de Penn Engineering, la nouvelle étude s’est penchée sur de nouvelles façons de prendre le métal et de lui donner la structure poreuse qui donne au bois sa résistance.

Dans le passé, on y parvenait en trouvant des moyens de transformer le métal fondu en mousse, ou en utilisant l’impression 3D avec une précision de cent nanomètres pour construire petit à petit du métal semblable au bois. Le problème est que la mousse métallique est brute selon les normes techniques modernes, alors que le processus d’impression 3D est lent et très difficile à mettre à l’échelle à partir d’une balance de laboratoire.

« La raison pour laquelle nous l’appelons bois métallique n’est pas seulement sa densité, qui est à peu près celle du bois, mais aussi sa nature cellulaire « , explique James Pikul. « Les matériaux cellulaires sont poreux ; si vous regardez le grain du bois, c’est ce que vous voyez – des parties qui sont épaisses et denses et faites pour maintenir la structure, et des parties qui sont poreuses et faites pour soutenir les fonctions biologiques, comme le transport vers et depuis les cellules.

« Notre structure est similaire. Nous avons des zones qui sont épaisses et denses avec des entretoises métalliques solides, et des zones poreuses avec des fentes d’aération. Nous fonctionnons juste à l’échelle de longueur où la force des jambes de force approche le maximum théorique. »

Selon les chercheurs, la clé était de passer à des échelles beaucoup plus petites pour produire des augmentations de force beaucoup plus importantes. Ils y parviennent en suspendant des sphères de plastique de quelques centaines de nanomètres de large dans l’eau, qui s’évapore. Au fur et à mesure que l’eau disparaît, les sphères tombent dans un motif géométrique et cristallin net.

Celui-ci est ensuite galvanisé avec une fine couche de chrome et les espaces entre les sphères sont remplis de nickel. Le plastique est ensuite dissous et il reste un réseau ouvert d’entretoises métalliques avec 70 % d’espace vide, ce qui le rend suffisamment léger pour flotter dans l’eau.

Jusqu’à présent, le métal d’essai se présentait sous la forme de feuilles d’environ un centimètre carré de surface. De plus, c’est un processus très coûteux. Toutefois, l’objectif est de mettre en place une infrastructure qui permettrait de produire de plus grandes quantités de matériaux à moindre coût grâce à des économies d’échelle. De plus, l’équipe doit voir quelles sont les propriétés du bois métallique, par exemple s’il s’enfonce ou se brise lorsqu’il est frappé.

Un autre potentiel intéressant de la technologie est que l’espace vide dans le métal peut être rempli avec un autre matériau. Tout comme les pores du bois sont utilisés pour retenir les cellules vivantes et transporter l’eau et les nutriments, le bois métallique pourrait être rempli de matériaux qui agiraient, par exemple, comme une batterie pour produire des choses comme une aile d’avion auto-alimentée ou une jambe prothétique.

https://www.nature.com/articles/s41598-018-36901-3

https://penntoday.upenn.edu/news/metallic-wood-has-strength-titanium-and-density-water