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Des scientifiques créent un nouveau matériau cinq fois plus léger et quatre fois plus résistant que l’acier

DNA Glass Material

Des chercheurs de l’Université du Connecticut et leurs collègues ont créé un matériau très durable et léger en structurant l’ADN puis en le recouvrant de verre. Le produit résultant, caractérisé par sa structure nano-réseau, présente une combinaison unique de résistance et de faible densité, ce qui le rend potentiellement utile dans des applications telles que la fabrication de véhicules et les gilets pare-balles. (Idée d’artiste.)

Les chercheurs ont développé un matériau très robuste avec une densité extrêmement faible en construisant une structure à l’aide d’ADN et en l’enduisant ensuite de verre.

Les matériaux possédant à la fois résistance et légèreté ont le potentiel d’améliorer tout, des automobiles aux gilets pare-balles. Mais généralement, les deux qualités s’excluent mutuellement. Cependant, des chercheurs de l’Université du Connecticut, ainsi que leurs collaborateurs, ont maintenant conçu un matériau incroyablement solide mais léger. Étonnamment, ils y sont parvenus en utilisant deux blocs de construction inattendus : ADN et verre.

« Pour la densité donnée, notre matériau est le plus résistant connu », déclare Seok-Woo Lee, scientifique des matériaux chez UConn. Lee et ses collègues de l’UConn, de l’Université de Columbia et du Brookhaven National Lab rapportent les détails le 19 juillet dans Rapports de cellule Science physique.

La force est relative. Le fer, par exemple, peut supporter 7 tonnes de pression par centimètre carré. Mais il est aussi très dense et lourd, pesant 7,8 grammes/centimètre cube. D’autres métaux, comme le titane, sont plus solides et plus légers que le fer. Et certains alliages combinant plusieurs éléments sont encore plus résistants. Des matériaux solides et légers ont permis des gilets pare-balles légers, de meilleurs dispositifs médicaux et des voitures et des avions plus sûrs et plus rapides.

Graphique de matériau en verre d'ADN

Les scientifiques des matériaux d’UConn et du laboratoire national de Brookhaven ont construit un matériau exceptionnellement solide et léger à partir d’ADN et de verre. La série d’images en haut (A) montre comment le squelette de la structure est assemblé avec de l’ADN, puis recouvert de verre. (B) montre une image au microscope électronique à transmission du matériau, et (C) en montre une image au microscope électronique à balayage, les deux panneaux de droite effectuant un zoom avant sur les caractéristiques à différentes échelles. Crédit : Université du Connecticut

Le moyen le plus simple d’étendre l’autonomie d’un véhicule électrique, par exemple, n’est pas d’agrandir la batterie mais plutôt d’alléger le véhicule lui-même sans sacrifier la sécurité et la durée de vie. Mais les techniques métallurgiques traditionnelles ont atteint une limite ces dernières années, et les scientifiques des matériaux ont dû faire preuve d’encore plus de créativité pour développer de nouveaux matériaux légers à haute résistance.

Maintenant, Lee et ses collègues rapportent qu’en construisant une structure à partir d’ADN puis en la recouvrant de verre, ils ont créé un matériau très solide avec une très faible densité. Le verre peut sembler un choix surprenant, car il se brise facilement. Cependant, le verre se brise généralement à cause d’un défaut – comme une fissure, une rayure ou des atomes manquants – dans sa structure. Un centimètre cube de verre sans défaut peut supporter 10 tonnes de pression, plus de trois fois la pression qui a fait imploser le submersible Oceangate Titan près du Titanic le mois dernier.

Il est très difficile de créer un grand morceau de verre sans défauts. Mais les chercheurs ont su fabriquer de toutes petites pièces sans défaut. Tant que le verre a moins d’un micromètre d’épaisseur, il est presque toujours impeccable. Et comme la densité du verre est bien inférieure à celle des métaux et de la céramique, toute structure en verre nanométrique sans défaut doit être solide et légère.

L’équipe a créé une structure d’ADN auto-assemblé. Presque comme les Magnatiles, des morceaux d’ADN de longueurs et de chimie spécifiques se sont assemblés dans un squelette de matériau. Imaginez la charpente d’une maison ou d’un immeuble, mais faite d’ADN.

Oleg Gang et Aaron Mickelson, chercheurs en nanomatériaux à Université de Colombie et le Centre pour les nanomatériaux fonctionnels de Brookhaven, ont ensuite recouvert l’ADN d’une très fine couche de matériau semblable à du verre de seulement quelques centaines d’atomes d’épaisseur. Le verre recouvrait à peine les brins d’ADN, laissant une grande partie du volume matériel sous forme d’espace vide, un peu comme les pièces d’une maison ou d’un bâtiment.

Le squelette d’ADN a renforcé la fine couche de verre sans défaut, ce qui rend le matériau très résistant, et les vides constituant la majeure partie du volume du matériau l’ont rendu léger. En conséquence, les structures de nano-réseaux de verre sont quatre fois plus résistantes mais cinq fois moins denses que l’acier. Cette combinaison inhabituelle de légèreté et de haute résistance n’a jamais été atteinte auparavant.

« La capacité de créer des nanomatériaux à structure 3D conçus à l’aide d’ADN et de les minéraliser ouvre d’énormes opportunités pour l’ingénierie des propriétés mécaniques. Mais beaucoup de travail de recherche est encore nécessaire avant de pouvoir l’utiliser comme technologie », déclare Gang.

L’équipe travaille actuellement avec la même structure d’ADN mais en remplaçant le verre par une céramique au carbure encore plus résistante. Ils ont l’intention d’expérimenter différentes structures d’ADN pour voir laquelle rend le matériau le plus solide. Les futurs matériaux basés sur ce même concept sont très prometteurs en tant que matériaux économes en énergie pour les véhicules et autres appareils qui privilégient la résistance. Lee pense que la nanoarchitecture de l’origami d’ADN ouvrira une nouvelle voie pour créer des matériaux plus légers et plus solides que nous n’avions jamais imaginés auparavant.

« Je suis un grand fan des films d’Iron Man et je me suis toujours demandé comment créer une meilleure armure pour Iron Man. Il doit être très léger pour qu’il vole plus vite. Il doit être très fort pour le protéger des attaques des ennemis. Notre nouveau matériau est cinq fois plus léger mais quatre fois plus résistant que l’acier. Ainsi, nos nano-réseaux de verre seraient bien meilleurs que tout autre matériau structurel pour créer une armure améliorée pour Iron Man.

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