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Planches à voile, avions et circuits électroniques ont en commun de contenir des résines utilisées pour leur légèreté et leur résistance. Mais, une fois durcies, elles ne peuvent plus être refaçonnées. Seuls quelques composés minéraux, tel le verre, offraient cette possibilité. Associer ces atouts - résistance et « réversivilité » dans un même matériau semblait irréalisable. C’est pourtant ce que vient de réaliser le Laboratoire CNRS Matière molle et chimie dirigé par Ludwik Leibler. Ce dernier a conçu une nouvelle classe de composés façonnable, de manière réversible, à haute température. Et de façon surprenante, ce matériau inédit conserve certaines propriétés propres aux résines organiques ou aux caoutchoucs : il est léger, insoluble et difficilement cassable. Peu coûteux et facile à fabriquer, il pourrait intervenir dans de nombreuses applications industrielles.

Remplacer des métaux par des matériaux plus légers mais aussi performants est une nécessité pour de nombreuses industries, comme l’aéronautique, l’automobile, le bâtiment, l’électronique et l’industrie du sport. De par leurs exceptionnelles propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique, les matériaux composites à base de résines thermodurcissables sont pour l’instant les plus à même de remplir ce rôle. Mais il est nécessaire de cuire ces résines in situ, avec d’emblée la forme définitive de la pièce à réaliser. En effet, une fois ces résines durcies, le soudage et la réparation deviennent impossibles. De plus, même à chaud, il est inimaginable de refaçonner une pièce à la manière du forgeron ou du verrier.

Concevoir des matériaux malléables à l’infini, un enjeu économique et écologique

Car le verre (silice inorganique) est une matière unique : une fois chauffé, il passe d’un état solide à un état liquide de façon très progressive (transition vitreuse), ce qui permet de le façonner à volonté sans avoir recours à des moules. Parvenir à concevoir des matériaux très résistants qui puissent se réparer et être malléables à l’infini, tout comme le verre, est un véritable enjeu à la fois économique et écologique. Il faudrait un matériau capable de s’écouler à chaud tout en étant insoluble et qui n’aurait ni la fragilité, ni la « lourdeur » du verre.

Un nouveau matériau capable de se réorganiser sans changer le nombre de liens entre les atomes

Partant d’ingrédients disponibles et utilisés dans l’industrie (résine époxy, durcisseurs, catalyseurs...), les chercheurs du Laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) ont créé un nouveau matériau organique constitué d’un réseau moléculaire aux propriétés inédites : ce réseau est capable, sous l’action de la chaleur, de se réorganiser sans changer le nombre de liens entre les atomes. Ce matériau inédit passe de l’état liquide à l’état solide ou inversement, comme le verre. Jusqu’à présent, seule la silice et quelques composés minéraux étaient connus pour ce type de comportement. Ce nouveau matériau s’apparente donc à de la silice complètement organique. Il est insoluble même à chaud au-dessus de sa température de transition vitreuse.

Film réalisé par Céline Ferlita et produit par CNRS Images (nov. 2011)

Façonnable à volonté, réparable et recyclable

De façon remarquable, à température ambiante, il ressemble, selon la composition choisie, à des solides durs ou bien à des solides élastiques mous. Dans les deux cas, il présente les mêmes qualités de légèreté, résistance et insolubilité que les résines thermodurcissables ou les caoutchoucs actuellement utilisés en industrie. Surtout, par rapport à ces derniers, il offre l’avantage d’être façonnable à volonté, réparable et recyclable sous l’action de la chaleur. Cette propriété permet de lui faire subir des transformations par des procédés qui ne sont envisageables ni pour les résines thermodurcissables, ni pour les matières plastiques classiques. Elle permet notamment d’obtenir des formes d’objets qui sont difficiles ou impossibles à obtenir par moulage ou pour lesquels la réalisation d’un moule s’avère trop coûteuse pour la fabrication envisagée.

Des applications dans l’électronique, l’automobile, la construction, l’aéronautique ou l’imprimerie

Utilisé comme base de composites, ce nouveau matériau pourrait ainsi favorablement concurrencer les métaux et trouver de larges applications dans des secteurs aussi divers que l’électronique, l’automobile, la construction, l’aéronautique ou l’imprimerie. Au-delà de ces applications, ces résultats apportent un éclairage inattendu sur une problématique fondamentale : la physique de la transition vitreuse.

Les travaux de l’équipe de Ludwik Leibler, chercheur CNRS au Laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) et Professeur associé à l’ESPCI sont publiés le 18 novembre 2011 dans Science.

Références :
Silica-like malleable materials from permanent organic networks. Damien Montarnal, Mathieu Capelot, François Tournilhac and Ludwik Leibler. Science. 18 novembre 2011.

Contacts :
Ludwik Leibler, chercheur CNRS/ESPCI,Tél. :  01 40 79 51 25.

Liens:
Un nouveau matériau révolutionnaire façonnable à chaud comme du verre, communiqué de presse du CNRS du 15 novembre 2011

Crédits photographiques :
© CNRS Photothèque / ESPCI / Cyril FRÉSILLON
Différentes formes de de ce matériau

© CNRS Photothèque / ESPCI / Cyril FRÉSILLON
Séquence montrant le façonnage d’un objet de forme complexe par application de déformations et échauffements successifs.