Dans une percée qui mélange la conception ancienne à la science des matériaux modernes, les chercheurs de l'Université de Houston ont développé une nouvelle classe de structures en céramique qui peuvent se plier sous pression, sans rupture.
Les applications potentielles pour cette technologie vont des prothèses médicales aux composants résistants à l'impact dans l'aérospatiale et la robotique, où les matériaux légers – mais difficiles – sont très demandés.
Traditionnellement connu pour leur fragilité, la céramique se brise souvent sous le stress, ce qui les rend difficiles à utiliser dans des applications à fort impact ou adaptatives. Mais cela pourrait bientôt changer en équipe de chercheurs UH, dirigée par Maksud Rahman, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial, et MD Shajedul Hoque Thakur, boursier postdoctoral, a montré que des formes d'origine avec un revêtement polymère doux peuvent transformer des matériaux céramiques fragiles en structures difficiles et flexibles. Leur travail a été récemment publié dans Composites avancés et matériaux hybrides.
« Les céramiques sont incroyablement utiles – biocompatibles, légères et durables dans les bonnes conditions, mais elles échouent catastrophiquement », a déclaré Rahman. « Notre objectif était de concevoir cette défaillance en quelque chose de plus gracieux et plus sûr. »
Pour ce faire, l'équipe 3D a imprimé une structure en céramique basée sur le motif d'origami Miura-Ori – qui est un moyen de plier quelque chose de plat, comme du papier, donc il prend moins de place mais reste à plat dans l'ensemble – puis l'a enduit d'un polymère extensible et biocompatible.
Les structures résultantes peuvent gérer le stress d'une manière que la céramique ordinaire ne peut pas. Lorsqu'elles sont comprimées dans différentes directions, les structures enrobées fléchissaient et se sont rétablies, tandis que leurs homologues non revêtus se sont craqués ou cassés.
« La géométrie en origami nous a donné une adaptabilité mécanique », a déclaré Thakur. « Et le revêtement en polymère a introduit juste assez de flexibilité pour éviter une rupture soudaine. »
Les chercheurs ont testé les structures sous compression statique et cyclique et ont sauvegardé leurs expériences avec des simulations informatiques. Les versions revêtues ont constamment montré une plus grande ténacité, en particulier dans les directions où la céramique d'origine était la plus faible.
« L'origami est plus qu'un art – c'est un puissant outil de conception qui peut remodeler la façon dont nous abordons les défis dans les domaines biomédical et d'ingénierie », a déclaré Rahman. « Ce travail montre comment les modèles de pliage peuvent débloquer de nouvelles fonctionnalités dans les matériaux les plus fragiles. »
