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La construction légère a trouvé sa place dans de nombreux domaines, notamment la construction automobile, la construction navale et la construction aéronautique. Outre les métaux légers traditionnels tels que l'aluminium, le magnésium ou le titane, les applications porteuses font de plus en plus appel à des matériaux composites. Il est donc nécessaire de mettre au point de nouvelles techniques et méthodes de détection précoce des dommages, voire de la défaillance éventuelle de ces matériaux encore peu étudiés.
Des chercheur·se·s du Groupe des matériaux complexes de l'ETH Zurich, travaillant en collaboration avec des chercheur·se·s de l'Université de Fribourg, ont adopté une approche qui a récemment attiré l'attention dans la recherche sur les matériaux: il·les ont créé un matériau léger qui utilise un changement de couleur pour indiquer une déformation interne et donc une éventuelle défaillance du matériau à un stade précoce. Composé de couches individuelles, leur stratifié est translucide, résistant à la rupture et pourtant très léger.
Nacre artificielle combinée à un polymère
Le stratifié est composé de couches alternées d'un polymère plastique et de nacre artificielle. Cette dernière est une spécialité du Laboratoire des matériaux complexes et s'inspire de l'exemple biologique de la coquille de moule. Elle est constituée d'innombrables plaquettes de verre disposées en parallèle, qui sont compactées, frittées et solidifiées à l'aide d'une résine polymère. Cela le rend extrêmement dur et résistant à la rupture.
La deuxième couche est constituée d'un polymère auquel les chercheur·ses ont ajouté une molécule indicatrice synthétisée spécifiquement pour cette application à l'Université de Fribourg. La molécule est activée dès que le polymère subit des forces d'étirement, ce qui modifie sa fluorescence. Plus le matériau s'étire et plus ces molécules sont activées, plus la fluorescence est intense.
La fluorescence indique que les pièces sont trop sollicitées
«Nous avons utilisé des molécules fluorescentes parce qu'on peut très bien mesurer l'augmentation de la fluorescence et qu'il n'est pas nécessaire de se fier à la perception subjective», explique Tommaso Magrini, auteur principal de l'étude, qui vient d'être publiée dans la revue ACS Applied Materials and Interfaces. Le système aurait également pu être configuré pour produire un changement de couleur directement perceptible de l'extérieur. Mais: «La perception des couleurs est subjective et il est difficile de tirer des conclusions sur les changements dans le matériau», explique Tommaso Magrini.
Grâce à la fluorescence, les chercheur·ses peuvent désormais identifier les zones soumises à des contraintes excessives dans le matériau composite avant même que des fractures ne se forment. Cela permet de détecter rapidement les zones vulnérables d'une structure avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise. Le nouveau stratifié pourrait notamment être utilisé dans les composants des structures porteuses des bâtiments, des avions ou des véhicules, où il est essentiel de détecter leur défaillance à un stade précoce.
Toutefois, il reste à voir si et comment ce matériau peut être produit à l'échelle industrielle. Jusqu'à présent, il n'existe qu'à l'échelle du laboratoire comme preuve de concept.