Amélioration de la rigidité de la Nacre

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 16452 (2015) Citer cet article

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Les assemblages en couches de polymères et de dérivés de graphène utilisent la stratégie testée de la nacre consistant à intercaler des couches organiques molles avec des domaines cristallins durs. Ces systèmes en couches présentent généralement des propriétés élastiques qui dépassent les prédictions des simples règles de mélange, mais les origines moléculaires de ce phénomène ne sont pas bien comprises. Nous abordons ici ce problème en quantifiant le comportement élastique des couches de polymère nanoconfinées sur un modèle de nanocomposite graphène-polymère en couches. En utilisant une nouvelle approche validée de simulation de dynamique moléculaire à gros grains, nous montrons clairement ici que les propriétés élastiques des nanocomposites en couches ne peuvent pas être décrites par les seules considérations de fraction volumique et dépendent fortement à la fois de l'énergie interfaciale et de la nanostructure. Nous quantifions l'importance relative du nanoconfinement des polymères et de l'énergie interfaciale sur la structure et l'élasticité du polymère et illustrons la validité de notre modèle pour deux polymères ayant des propriétés élastiques intrinsèques différentes. Notre modèle théorique aboutit à des diagrammes de phases qui prédisent avec précision la réponse élastique des nanocomposites inspirés de la nacre en tenant compte de tous les paramètres de conception des matériaux. Nos résultats fournissent des directives prescriptives largement applicables pour l’utilisation du nanoconfinement afin d’améliorer les propriétés mécaniques des nanocomposites couche par couche. Nos résultats servent également à expliquer pourquoi les propriétés élastiques des couches organiques de la nacre présentent de multiples différences par rapport aux états natif et extrait.

La nacre, ou nacre, est la couche interne de nombreuses coquilles de mollusques. Il possède une nanostructure de type brique-mortier composée de plaquettes d'aragonite inorganiques fragiles et de couches de biopolymère organique souple. Les couches organiques représentent moins de 5 % en poids, mais elles augmentent la ténacité de plusieurs ordres de grandeur grâce à une variété de mécanismes proposés tels que le transfert de charge par déformation par cisaillement, le piégeage des fissures lorsqu'elles atteignent la matrice molle ou l'amplification de la ténacité en permettant une déformation importante. et viscoélasticité1,2. Partant du principe que la nacre possède des propriétés exceptionnelles résultant de la nanostructure couche par couche, des nanocomposites artificiels de type nacre ont récemment été fabriqués à l'aide de diverses techniques3. Le module élastique et la résistance ultime à la traction des nanocomposites polymère-argile obtenus par assemblage couche par couche (LbL)4 ont même dépassé ceux observés dans la nacre5,6,7. Les progrès en synthèse permettent désormais de créer des nanostructures précises avec des couches de polymère aussi fines que 2 nm. Les couches ultrafines facilitent une rigidité et une ténacité très élevées en minimisant la fraction volumique du polymère tout en conservant les caractéristiques bénéfiques8.

Le confinement des couches de polymère à des dimensions ultra-minces rend difficile la mesure des propriétés de la phase molle. Les considérations mécaniques de rupture élastique linéaire suggèrent que le décalage de module entre les phases molles et dures doit être élevé pour contribuer à plusieurs mécanismes de durcissement proposés pour la nacre9,10,11,12,13,14,15. Supposer des propriétés globales pour la phase molle peut être trompeur car les interfaces (surface limite formée entre deux phases différentes dans un matériau) avec les couches dures donnent naissance à des domaines de phase molle qui divergent du comportement global, qui est attribué à l'interphase (région de transition). entre deux phases différentes dans un matériau) formation dans les nanocomposites. Des études systématiques sur les nanocomposites synthétiques révèlent que plusieurs mécanismes moléculaires, tels que les contraintes topologiques induites par les plaquettes imperméables, l'adsorption en chaîne sur les surfaces et la dispersion des nanoinclusions, influencent les propriétés mécaniques des nanocouches polymères16,17,18. Ces mécanismes sont collectivement appelés effets de nanoconfinement et l'hypothèse selon laquelle ils pourraient contribuer à la réponse élastique exceptionnellement élevée observée dans la nacre et les systèmes inspirés de la nacre. La plupart des preuves circonstancielles de ces effets proviennent de films minces polymères, qui présentent des changements drastiques dans le comportement de transition vitreuse en raison des effets du substrat, par analogie avec les nanocomposites en couches19,20,21,22,23. Le nanoconfinement de films minces de polymères à proximité de surfaces dures avec une forte énergie d'adhésion donne lieu à une température de transition vitreuse apparente (Tg) plus élevée et les propriétés élastiques peuvent changer à la fois au-dessus et en dessous de (Tg)24,25,26,27. L'échelle de longueur sur laquelle ces propriétés changent, appelée largeur d'interphase, est un facteur clé régissant les propriétés viscoélastiques des nanocomposites, bien qu'il soit difficile de le mesurer expérimentalement15,24,28,29,30,31,32. De telles interphases existent également dans la nacre, comme le montrent les expériences de nanoindentation, l'imagerie AFM et la modélisation par éléments finis12,33,34,35,36,37. Ces investigations concordent avec l'observation selon laquelle le module d'élasticité des couches organiques est supérieur à ce qui est prévu pour les couches organiques, se situant largement entre 2 et 40 GPa12,33,34,35,36,37. À l’inverse, des études sur les propriétés globales réelles des couches organiques ont révélé un module d’élasticité de 100 Pa38 à 20-100 MPa39 pour la phase organique en utilisant différentes techniques expérimentales. Nous notons que les modèles micromécaniques et les mesures utilisés pour ces analyses ne tiennent souvent pas compte de l'anisotropie susceptible de se produire dans de tels systèmes, comme observé dans les nanocomposites polymère-argile semi-cristallins40. Ainsi, ces valeurs obtenues sont considérées comme des constantes de matériau équivalentes isotropes représentatives. S'il est clair que les couches organiques confinées dans leurs nanocouches dans les nanocomposites de nacre et inspirés de la nacre présentent des différences significatives sous nanoconfinement, il reste à établir comment ces propriétés dépendent de facteurs tels que l'épaisseur de la couche et l'énergie interfaciale.