Une nouvelle étude de l’EPFL, publiée dans Science Advances, démontre comment un matériau initialement conçu pour améliorer l’impression 3D a soudainement résolu l’un des plus grands défis de la recherche sur les élastomères : créer un matériau à la fois très résistant à la rupture et suffisamment durable pour supporter des sollicitations mécaniques répétées au fil du temps.
Au cœur de cette avancée se trouvent les élastomères granulaires à double réseau (DNGE), une catégorie de matériaux semblables au caoutchouc introduite pour la première fois par les chercheurs du Soft Materials Laboratory (SMaL) de l’EPFL en 2024. Initialement développés comme des « encres » avancées pour l’impression 3D, les DNGE sont constitués de particules microscopiques d’élastomère reliées entre elles par un réseau d’élastomère plus souple. Cette architecture permet aux ingénieurs d’ajuster précisément les propriétés mécaniques des pièces imprimées, tout en créant une combinaison inédite de résistance et de longévité.
« À l’origine, nous nous concentrions sur l’amélioration de l’aptitude à la mise en œuvre, mais une fois que nous avons obtenu la structure granulaire, nous avons découvert que ces matériaux étaient également très tenaces », a déclaré Esther Amstad, responsable du Soft Materials Laboratory. « Nous avons ensuite compris qu’une grande partie de cette ténacité provenait de mécanismes répétitifs de dissipation d’énergie : le matériau pouvait absorber de l’énergie encore et encore sans se rompre de manière irréversible. »
Cet équilibre est particulièrement important, car la plupart des élastomères obligent les concepteurs à choisir entre résistance à la rupture et résistance à la fatigue. Les matériaux qui résistent à la fissuration s’usent souvent sous des chargements répétés, tandis que ceux qui supportent d’innombrables cycles sont généralement plus faciles à déchirer lors d’un étirement soudain ou d’un impact.
Selon Amstad, les DNGE dépassent ce compromis, car « les deux réseaux différents — l’un constitué de particules granulaires d’élastomère et l’autre d’élastomère souple — se partagent la déformation mécanique, ce qui rend globalement le matériau plus résistant. »
Lors d’essais en laboratoire, les DNGE optimisés ont atteint une ténacité à la rupture jusqu’à 15 fois supérieure à celle d’élastomères comparables, ainsi qu’une résistance à la fatigue jusqu’à trois fois plus élevée. Au lieu de rompre les liaisons polymères, le matériau dissipe l’énergie de manière répétée à mesure que les chaînes polymères glissent et se réorganisent dans les régions plus souples.
Ces résultats ouvrent la voie à la création par impression 3D de robots souples, d’électroniques flexibles et de dispositifs biomédicaux plus durables, dont les composants subissent des flexions, étirements et déformations continus. L’équipe de l’EPFL explore actuellement des élastomères biodégradables et recyclés afin de rendre cette technologie plus durable.
« Notre objectif est de mettre en œuvre des matériaux plus durables sans compromettre leurs propriétés mécaniques », a déclaré Amstad. « En élargissant la gamme des matériaux que nous pouvons utiliser, nous pouvons non seulement réduire l’empreinte environnementale des DNGE, mais aussi les rendre encore plus largement accessibles à tout laboratoire disposant d’une imprimante 3D commerciale. »
