Les ingénieurs de l'université du Wisconsin-Madison ont créé un matériau en nanofibres qui surpasse ses homologues largement utilisés - notamment les plaques d'acier et le tissu Kevlar - en matière de protection contre les impacts de projectiles à grande vitesse.
En gros, c'est mieux qu'un pare-balles.
"Nos tapis en nanofibres présentent des propriétés protectrices qui dépassent de loin celles d'autres systèmes de matériaux pour un poids beaucoup plus léger", explique Ramathasan Thevamaran, professeur adjoint d'ingénierie physique à l'UW-Madison, qui a dirigé les recherches.
Lui et ses collaborateurs ont détaillé cette avancée dans un article publié récemment dans la revue ACS Nano.
Pour créer le matériau, Thevamaran et le chercheur postdoctoral Jizhe Cai ont mélangé des nanotubes de carbone multiparois - des cylindres de carbone d'un atome d'épaisseur seulement dans chaque couche - avec des nanofibres de Kevlar. Les tapis de nanofibres ainsi obtenus sont capables de dissiper l'énergie de l'impact de minuscules projectiles se déplaçant à une vitesse supérieure à celle du son.
Cette avancée ouvre la voie à l'utilisation de nanotubes de carbone dans des matériaux de blindage légers et performants, par exemple dans des gilets pare-balles pour mieux protéger le porteur ou dans des boucliers autour des vaisseaux spatiaux pour atténuer les dommages causés par les microdébris volants à grande vitesse.
"Les matériaux nanofibreux sont très intéressants pour les applications de protection, car les fibres à l'échelle nanométrique présentent une résistance, une ténacité et une rigidité exceptionnelles par rapport aux fibres à l'échelle macroscopique", explique M. Thevamaran. "Les tapis de nanotubes de carbone ont montré la meilleure absorption d'énergie jusqu'à présent, et nous voulions voir si nous pouvions encore améliorer leurs performances."
Ils ont trouvé la bonne chimie. L'équipe a synthétisé des nanofibres de Kevlar et en a incorporé une infime quantité dans leurs tapis de nanotubes de carbone, ce qui a créé des liaisons hydrogène entre les fibres. Ces liaisons hydrogène ont modifié les interactions entre les nanofibres et, avec le bon mélange de nanofibres de Kevlar et de nanotubes de carbone, ont entraîné un bond spectaculaire dans les performances globales du matériau.
"La liaison hydrogène est une liaison dynamique, ce qui signifie qu'elle peut se rompre et se reformer en permanence, ce qui lui permet de dissiper une grande quantité d'énergie par ce processus dynamique", explique M. Thevamaran. "En outre, les liaisons hydrogène confèrent davantage de rigidité à cette interaction, ce qui renforce et rigidifie le tapis de nanofibres. Lorsque nous avons modifié les interactions interfaciales dans nos tapis en ajoutant des nanofibres de Kevlar, nous avons pu obtenir une amélioration de près de 100 % des performances de dissipation d'énergie à certaines vitesses d'impact supersoniques."
Faites entrer les balles. Les chercheurs ont testé leur nouveau matériau à l'aide d'un système de test d'impact de microprojectiles induits par laser dans le laboratoire de Thevamaran. Ce système, l'un des rares de ce type aux États-Unis, utilise des lasers pour tirer des micro-bullets sur les échantillons de matériaux.
"Notre système est conçu de telle sorte que nous pouvons sélectionner une seule balle sous un microscope et la tirer contre la cible de manière très contrôlée, avec une vitesse très contrôlée qui peut varier de 100 mètres par seconde à plus d'un kilomètre par seconde", explique Thevamaran. "Cela nous a permis de mener des expériences à une échelle de temps où nous pouvions observer la réponse du matériau - au fur et à mesure que les interactions entre les liaisons hydrogène se produisent."
Outre sa résistance aux chocs, un autre avantage du nouveau matériau en nanofibres est que, comme le Kevlar, il est stable à la fois à des températures très élevées et très basses, ce qui le rend utile pour des applications dans un large éventail d'environnements extrêmes.
Les chercheurs font breveter leur innovation par la Wisconsin Alumni Research Foundation.
Claire Griesbach, doctorante en génie physique, est co-auteur de l'étude.
Cette recherche a été soutenue par un financement de l'U.S. Army Research Office et du UW-Madison Office of the Vice-Chancellor for Research and Graduate Education.
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