Rendre les matériaux plus durables grâce à la science
Des chercheurs mettent au point une molécule qui réduit l'usure
Une équipe des laboratoires nationaux Sandia a mis au point une molécule qui permet de modifier la façon dont certains matériaux réagissent aux fluctuations de température, ce qui les rend plus durables. Cette application pourrait être utilisée dans tous les domaines, des étuis de téléphone en plastique aux missiles.
Chad Staiger, Kenneth Lyons, Erica Redline, Alana Yoon et Eric Nagel, de gauche à droite, font partie d'une équipe de recherche qui contribue à rendre les matériaux plus durables aux laboratoires nationaux Sandia.
Craig Fritz/Sandia National Laboratories
Eric Nagel montrant le dernier lot de matériaux mis au point par son équipe des laboratoires nationaux Sandia, qui s'efforce de reproduire une molécule qui modifie le comportement traditionnel des polymères.
Craig Fritz/Sandia National Laboratories
Les polymères, qui comprennent diverses formes de plastique, sont constitués de nombreuses molécules plus petites, liées entre elles. Cette liaison les rend particulièrement résistants et en fait un produit idéal pour protéger les composants délicats d'une grande variété d'articles. Mais avec le temps, l'utilisation et l'exposition à différents environnements, tous les matériaux commencent à se détériorer.
Du chaud au froid, du froid au chaud, le grand problème
L'un des principaux facteurs de détérioration des matériaux est l'exposition répétée à des températures chaudes et froides, et inversement. La plupart des matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis, mais chaque matériau a sa propre vitesse de changement. Les polymères, par exemple, se dilatent et se contractent le plus, tandis que les métaux et les céramiques se contractent le moins.
Erica Redline, scientifique spécialiste des matériaux qui dirige l'équipe, explique que la plupart des objets sont constitués de plusieurs types de matériaux.
"Prenons l'exemple de votre téléphone, dont le boîtier en plastique est couplé à un écran en verre, et à l'intérieur duquel se trouvent les métaux et les céramiques qui composent les circuits", explique Mme Redline. "Ces matériaux sont tous vissés, collés ou liés d'une manière ou d'une autre et commencent à se dilater et à se contracter à des rythmes différents, exerçant des contraintes les uns sur les autres, ce qui peut les amener à se fissurer ou à se déformer au fil du temps.
Mme Redline a déclaré qu'elle entendait toujours la même plainte de la part des nombreux clients de Sandia.
"Ils parlent toujours de problèmes d'inadéquation de la dilatation thermique et de la difficulté de travailler avec leurs systèmes existants à cause de tout le mastic qu'ils doivent ajouter pour compenser", explique Mme Redline.
C'est ainsi qu'est née l'idée de Redline.
"Je me suis dit : "Et si j'inventais un matériau parfait, à quoi cela ressemblerait-il ?
Redline pense y être parvenue, avec l'aide de son équipe Chad Staiger, Jason Dugger, Eric Nagel, Koushik Ghosh, Jeff Foster, Kenneth Lyons, Alana Yoon et des collaborateurs de l'alliance universitaire, le professeur Zachariah Page et l'étudiante diplômée Meghan Kiker.
La molécule en action
L'équipe a modifié une molécule de manière à ce qu'elle puisse être facilement incorporée dans un polymère afin d'en modifier les propriétés.
"Il s'agit vraiment d'une molécule unique qui, lorsqu'on la chauffe, au lieu de se dilater, se contracte en changeant de forme", explique Redline.
"Lorsqu'elle est ajoutée à un polymère, elle provoque une contraction moindre de ce dernier, atteignant des valeurs d'expansion et de contraction similaires à celles des métaux. Avoir une molécule qui se comporte comme un métal est assez remarquable".
Des possibilités infinies
Les possibilités d'utilisation de cette molécule sont infinies. Les polymères sont utilisés comme revêtements protecteurs dans l'électronique, les systèmes de communication, les panneaux solaires, les composants automobiles, les cartes de circuits imprimés, les applications aérospatiales, les systèmes de défense, les revêtements de sol, etc.
"Cette molécule ne se contente pas de résoudre les problèmes actuels, elle ouvre également l'espace de conception à d'autres innovations futures", explique Jason Dugger, un ingénieur chimiste de Sandia qui a étudié les applications potentielles, en particulier dans les systèmes de défense.
Une autre clé de cette invention est qu'elle peut être incorporée dans différentes parties d'un polymère à des pourcentages différents, dans l'impression 3D.
"Il est possible d'imprimer une structure avec certains comportements thermiques dans une zone et d'autres comportements thermiques dans une autre afin de faire correspondre les matériaux dans différentes parties de l'article", a déclaré M. Dugger.
Un autre avantage est de contribuer à réduire le poids des matériaux en éliminant les charges lourdes.
"Cela nous permettrait de faire des choses beaucoup plus légères et d'économiser de la masse", a déclaré M. Dugger. "C'est particulièrement important pour le lancement d'un satellite, par exemple. Chaque gramme que nous pouvons économiser est énorme.
Mme Redline a également été contactée par un formulateur d'époxy qui pense que cette molécule pourrait être incorporée dans des adhésifs.
La prochaine étape
L'équipe n'a créé cette molécule qu'en petites quantités, mais elle s'efforce de trouver un moyen d'augmenter la production afin que d'autres chercheurs de Sandia puissent tester la molécule pour répondre aux besoins de leurs missions.
Chad Staiger, chimiste organique à Sandia, fabrique la molécule. Il lui faut environ 10 jours pour produire entre 7 et 10 grammes.
"C'est malheureusement une longue synthèse pour cette molécule", a déclaré Staiger. "Plus d'étapes, c'est plus de temps et plus d'argent. Les synthèses en cinq ou six étapes sont généralement utilisées pour des matériaux de plus grande valeur, comme les produits pharmaceutiques. Dans le cas des polymères, moins c'est cher, mieux c'est pour une adoption à grande échelle.
L'équipe s'efforce de réduire les étapes grâce à un financement de 100 000 dollars dans le cadre du programme de maturation technologique de Sandia, qui aide à préparer les produits pour le marché.
"Mon rôle est de voir s'il existe un moyen plus facile de fabriquer ce produit à un niveau commercial", explique Eric Nagel, postdoc. "Il n'y a rien de tel sur le marché. Je suis vraiment enthousiasmé par les possibilités offertes par cette technologie et par les applications qui pourraient y être associées.
"C'est assez phénoménal et très ouvert", a déclaré Staiger.
Dugger est d'accord : "C'est vraiment le genre de chose où le ciel est la limite".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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