Et s'il y avait un tissu qui, comme Superman, pouvait prendre une balle et une auto-guérison? Un polymère aussi super dynamique et alimenté par l'action pourrait en fait aider à protéger les dépliants réels dans l'espace.
Les scientifiques des matériaux de la Texas A&M University ont développé un tel polymère avec une propriété d'auto-cicatrisation unique jamais vue à aucune échelle. Lorsqu'elle est frappée par un projectile, ce matériau s'étend tellement que lorsque le projectile parvient à passer, il ne prend qu'une petite quantité de polymère avec. En conséquence, le trou laissé derrière est beaucoup plus petit que le projectile lui-même.
Cependant, pour l'instant, cet effet n'a été observé que sous des températures extrêmes et à l'échelle nanométrique.
« C'est la première fois qu'un matériel à n'importe quelle échelle affiche ce comportement », a déclaré le Dr Svetlana Sukhishvili, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux, qui a travaillé sur le développement de ce film polymère avec le professeur de science et d'ingénierie des matériaux, le Dr Edwin (NED) Thomas, puis un étudiant de diplômé, le Dr Zhen Sang. Leurs résultats sont publiés dans le Matériaux aujourd'hui journal.
« En plus d'être très cool, le nouveau polymère aura probablement de nombreuses applications, notamment en rendant les fenêtres des véhicules spatiaux plus résilients à l'assaut de micrométéoroïdes », a déclaré Thomas.
Les véhicules spatiaux sont fréquemment bombardés de micrométéoroïdes voyageant à des vitesses de 10 kilomètres par seconde. Un micromèteoroïde peut créer un trou dans la fenêtre qui, bien que petit, est visible à l'œil humain. Cependant, une fenêtre fabriquée avec une couche de ce polymère pourrait potentiellement subir des dégâts plus minuscules que le météoroïde lui-même.
Thomas, qui a suggéré d'abord de soumettre le polymère aux tests balistiques, a déclaré qu'un objectif clé de la recherche est de concevoir un matériau qui protégera des structures telles que des satellites en orbite et des véhicules dans l'espace, avec des applications pour des équipements militaires et un armure corporelle sur Terre.
Le comportement phénoménal se produit dans le nouveau film en polymère solide car il fond lorsqu'il est affecté par un projectile à grande vitesse lancé au laser et recule à sa forme d'origine lorsqu'il est refroidi. Le polymère le fait en absorbant une grande partie de l'énergie cinétique générée par le projectile, provoquant l'étirement du film et le projectile alors que le projectile continue son voyage, perçant enfin le film. Une fois percé, le polymère se refroidit rapidement, ses liaisons covalentes se réduisent, et il revient à son état solide d'origine, laissant un petit trou.
« Un objectif majeur de notre travail était de voir si nous pouvions simultanément fournir un matériau qui absorberait beaucoup d'énergie cinétique par unité de masse cible à partir du projectile à grande vitesse et serait capable de guérir très rapide de la région perforée », a déclaré Thomas.
« Nous voulions que le matériau post-impact soit toujours capable d'effectuer sa fonction prévue, comme le transport de l'air ou des liquides et restant scellé contre la perte de tels fluides à travers la membrane matériaux. »
Le matériau est un polymère ou DAP de Diels-Adler, nommé par les chercheurs pour ses réseaux d'obligations covalents dynamiques qui peuvent être brisés et réformés. Il appartient à une classe de matériaux appelés réseaux ou canettes adaptatifs covalents. Alors que d'autres réseaux d'adler Diels ont été signalés dans la littérature scientifique, la chimie spécifique de DAP, la topologie et la qualité de l'auto-guérison sont nouvelles. L'acronyme DAP pourrait également désigner son polymère comme un matériau dynamique alimenté par l'action pour sa capacité à auto-guérir.
« Lorsque nous synthétions les DAP, nous avons visé à le faire de telle manière que les polymères se transforment en liquides lors de l'augmentation de la température », a déclaré Sukhishvili. « Bien que cette fonctionnalité ait été introduite pour faciliter l'impression 3D, nous avons pensé qu'en raison de sa capacité à se liquéfier lors du chauffage, nos polymères pouvaient montrer des caractéristiques de guérison balistique améliorées. »
« Les polymères sont des matériaux incroyables, en particulier les matériaux DAP », a expliqué Thomas. « Parce qu'à des températures basses, elles sont rigides et fortes; alors à des températures plus élevées, elles deviennent élastiques; et à des températures encore plus élevées, elles deviennent un liquide facilement fluide. C'est une vaste gamme de comportements de propriété. »
De plus, a-t-il dit, le processus se renverse. « Rien d'autre sur Terre ne peut le faire. »
La structure DAP est de longues chaînes en polymère contenant des liaisons à double carbone qui se brisent lorsque des déformations et chaleur sévères sont appliquées, mais se rémettent rapidement lorsqu'elles sont refroidies, mais pas nécessairement dans la même configuration.
« Considérez les longues chaînes de polymères dans le tissu comme étant comme un bol de soupe de nouilles ramen », a déclaré Sang, qui a travaillé sur ce projet pour sa recherche doctorale et est le premier auteur sur le journal. « Vous pouvez le remuer avec des baguettes, puis le congeler.
Sang, qui est maintenant ingénieur chez Apple, Inc., a déclaré qu'il n'était pas facile de faire des tests balistiques à une si petite échelle jusqu'à ce qu'il tombe sur une nouvelle méthodologie de recherche appelée Lipit (test d'impact de projectile induit par le laser), récemment développé par Thomas et ses collègues du MIT.
Sang a utilisé du lipite pour laser un minuscule projectile de silice 3,7 micromètres de diamètre à partir d'une lame de verre recouverte d'un film en or mince reposant sur une plate-forme d'un pouce carré. Sa cible consistait en une couche mince (75 à 435 nanomètres) du Super DAP.
Une caméra à grande vitesse avec un temps d'exposition à 3 nanosecondes à 50 intervalles nanosecondes a enregistré l'action. L'équipe de recherche a ensuite utilisé la microscopie électronique à balayage, la microscopie confocale à balayage laser et un nano spectromètre infrarouge pour visualiser les trous et évaluer la liaison covalente dans le super polymère.
Les résultats étaient déroutants au début, a déclaré Sang, car il ne pouvait trouver aucun trous dans le polymère ciblé.
« Ne visais pas correctement? N'y avait-il pas de projectiles? Qu'est-ce qui ne va pas avec mon expérience, je me suis demandé », a-t-il dit. Cependant, lorsqu'il a placé l'échantillon DAP sous le spectromètre Nano infrarouge, qui combine l'analyse chimique avec une résolution à grande échelle, il a pu voir les minuscules perforations.
« C'était en fait une découverte surprenante et surprenante », a déclaré Sang. « Une découverte très excitante. »
Il a expliqué que ce comportement ne pouvait pas encore être recréé au niveau macro car la vitesse de déformation pendant la perforation d'un matériau cible très mince sous impact est tellement plus grande qu'à l'échelle nanométrique.
« Si ce taux de déformation est vraiment élevé, les matériaux ont souvent un comportement inattendu que les gens ne voient généralement pas dans des circonstances normales », a déclaré Sang. « Avec l'appareil lipite que nous utilisons, nous parlons d'une vitesse de déformation de nombreux ordres de grandeur supérieurs à ceux des balles et des cibles à échelle conventionnelle. Dans cette perspective, les matériaux se comportent très différemment. »
Les autres co-auteurs du journal sont les doctorants en sciences du matériel Hongkyu EOH; Anciens chercheurs postdoctoraux Drs. Kailu Xiao, Wenpeng Shan et Jinho Hyon; et le Dr Dmitry Kurouski, professeur agrégé au Département de biochimie et de biophysique de Texas A&M.
Sukhishvili et Thomas prévoient de continuer à rechercher le Super DAP en utilisant différentes compositions de polymère, des réponses à la température et au stress.
« On pourrait même imaginer concevoir des DAP avec des caractéristiques tels qu'il serait possible d'absorber l'énergie cinétique en cassant les liaisons DAP, alors certaines de ces liaisons cassées pourraient se réformer très rapidement – en ayant peut-être le bon` `catalyseur de réforme des liaisons '' présent dans le matériau – où le projectile aurait dû briser ces liaisons une seconde (ou même plusieurs fois) avant que le matériau ne guérisse lui-même, et est prêt pour le prochain événement balistique.
« À ce jour, aucun matériel n'a la réponse de temps requise à la déformation, à la rupture, à la réforme; puis à se déformer, se casser et réformer à nouveau pendant l'intervalle sous-microseconde d'un événement balistique », a déclaré Thomas.
