Le nouveau type de matériau qui se renforce de lui-mêm emprunte un mécanisme utilisé par les os et les récifs coralliens
Certains organismes naturels, tels que les os et les récifs coralliens, ont une incroyable capacité d’adaptation à des niveaux de stress variables, puisant dans les minéraux voisins pour renforcer leurs structures lorsque le besoin s’en fait sentir. Les scientifiques de l’université Johns Hopkins ont réussi à reproduire ce processus de minéralisation adaptative en laboratoire, en mettant en évidence un nouveau type de matériau qui modifie sa rigidité à mesure qu’une force plus importante est appliquée.
L’os humain est un exemple de matériau naturel capable de réguler sa propre composition structurelle, en ajoutant des minéraux provenant du sang environnant par le biais de la signalisation cellulaire. Les récifs coralliens peuvent fonctionner de manière similaire, en augmentant la minéralisation dans les zones qui peuvent être soumises aux plus grandes forces océaniques comme moyen de survie.
Davantage de minéraux s’accumulent sur les parties de la surface soumises à des forces plus importantes
Les chercheurs de Johns Hopkins ont entrepris de développer un matériau qui pourrait fonctionner de manière similaire, en apportant des minéraux supplémentaires en réponse à un stress supplémentaire. Cela a commencé avec des films polymères qui peuvent traduire les forces mécaniques en charges électriques, qui sont proportionnelles à la quantité de stress qu’ils subissent.
Ces films ont ensuite été placés dans un fluide conçu pour imiter les concentrations ioniques du plasma sanguin. L’idée était que les différentes charges électriques pouvaient agir comme des signaux, tout comme ceux utilisés par les os pour appeler des renforts, et provoquer la formation de minéraux à la surface.
Une poutre conçue pour augmenter les niveaux de contrainte à la surface du matériau a été ancrée à une extrémité. Il en résulte que les parties du matériau soumises à des forces plus importantes ont plus de minéraux qui s’accumulent à la surface, la hauteur des minéraux étant proportionnelle à la contrainte appliquée.
Les expériences ont montré que les parties d’un nouveau matériau adaptatif soumises à des forces plus importantes avaient plus de minéraux accumulés à la surface
« Nos conclusions peuvent ouvrir la voie à une nouvelle classe de matériaux auto-régénérateurs qui peuvent auto-renforcer les zones endommagées », déclare l’auteur principal de l’étude, Sung Hoon Kang.
En modifiant la composition du fluide ionique, les chercheurs ont également découvert qu’ils pouvaient contrôler le type de minéraux qui se forment sur le matériau, ce qui lui confère peut-être une plus grande polyvalence. L’équipe imagine toutes sortes d’utilisations pour un matériau de ce type, y compris agir comme un échafaudage pour stimuler les traitements des maladies osseuses ou des résines pour les soins dentaires.
« Imaginez un implant osseux ou un pont qui peut s’auto-renforcer lorsqu’une force élevée est appliquée sans inspection ni entretien. Cela permettra d’obtenir des implants et des ponts plus sûrs avec un minimum de complications, de coûts et de temps d’arrêt », explique Sung Hoon Kang.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906970?af=R
