Auxétisme

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L'auxétisme (du grec auxein, s'étendre) est le fait, pour un matériau, de posséder un coefficient de Poisson négatif. La théorie des matériaux isotropes autorise un coefficient de Poisson compris entre −1 et 0,5. Les matériaux auxétiques se regroupent pour l'instant en trois catégories :

  • des cristaux, comme les zéolithes, qui manifestent des propriétés auxétiques à l'échelle microscopique ;
  • des mousses, comme certaines mousses de polymère (ex : le téflon PTFE), qu'un traitement mécanique et thermique peut rendre auxétiques ;
  • des fibres utilisées dans les matériaux composites.

Origine structurale[modifier | modifier le code]

Le fonctionnement s'explique au niveau microstructural : il ne s'agit pas d'une structure à nid d'abeilles, mais de cellules ré-entrantes, comme illustré ci-dessous :

Illustration du comportement d'un matériau auxétique

Certaines configurations anisotropes atteignent un coefficient inférieur à −1.

Encore peu étudiés, ces matériaux pourraient avoir des applications notamment dans le bâtiment (leur structure les rend particulièrement résistants) ou dans la fabrication de filtres réglables. En effet, en associant cristaux piézo-électriques et auxétiques, on pourrait moduler la taille des pores du filtre.

Exemples[modifier | modifier le code]

Dans les chaussures de sport, la conception d'une structure auxétique permet à la semelle de s’élargir pendant la marche ou la course, augmentant ainsi la flexibilité.

Voici quelques exemples de matériaux ou produits auxétiques :

  • la mousse de polyuréthane auxétique[1],[2] ;
  • la cristobalite-alpha[3] ;
  • certaines roches et minéraux[4] ;
  • le graphène, qui peut être rendu auxétique par l’introduction de défauts de lacune[5],[6] ;
  • le tissu osseux vivant (bien que cela soit seulement soupçonné)[4] ;
  • les tendons, dans leur amplitude de mouvement normale[7] ;
  • quelques sortes de polymères polytétrafluoroéthylène tels que le Gore-Tex[8]
  • plusieurs types de papier. Si un papier est étiré dans le sens du plan, il augmentera dans le sens de l'épaisseur en raison de la structure de son réseau[9],[10] ;
  • plusieurs types de plis d'origami tels que la structure à plis en diamant (RFS), le Motif à chevron, le pliage de Miura[11],[12], et d'autres modèles périodiques de pliage dérivés de ceux-ci[13],[14] ;
  • certaines structures macroscopiques conçues sur mesure pour avoir des ratios de Poisson particuliers[15],[16] ;
  • certaines chaîne de molécules organiques. Des recherches récentes ont révélé que des cristaux organiques comme certains n-alcanes, ou similaires à ceux-ci, peuvent présenter un comportement auxétique[17] ;
  • des tissus non tissés aiguilletés et traités. En raison de la structure de réseau de ces tissus, un protocole de traitement utilisant de la chaleur et de la pression peut convertir les tissus non-tissés ordinaires (non auxétiques) en matériaux auxétiques[18],[19] ;
  • le liège a un coefficient de Poisson presque nul. Cela en fait un bon matériau pour sceller les bouteilles de vin[20].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Sur la fabrication réussie de mousses de polyuréthane auxétiques: besoins en matériaux, stratégie de traitement et mécanisme de conversion », Polymère, vol. 87,‎ , p. 98–107 (DOI 10.1016 / j.polymer.2016.01.076)
  2. « Fabrication à température ambiante et quasi instantanée de matériaux auxiliaires avec un coefficient de Poisson constant sur de grandes déformations », Matériaux avancés, vol. 28, no 14,‎ , p. 2822–2826 (PMID 26861805, DOI 10.1002 / adma.201505650)
  3. Amir Yeganeh-Haeri, Donald J. Weidner et John B. Parise, « Elasticité de l'α-Cristobalite: un dioxyde de silicium avec un coefficient de Poisson négatif », Science, vol. 257, no 5070,‎ , p. 650–652 (ISSN 0036-8075, PMID 17740733, DOI 10.1126 / science.257.5070.650, Bibcode 1992Sci ... 257..650Y)
  4. a et b « {{{1}}} »
  5. J. N. Grima, S. Winczewski, L. Mizzi, M. C. Grech, R. Cauchi, R. Gatt, D. Attard, K.W. Wojciechowski et J. Rybicki, « Adapter le graphène pour obtenir des propriétés de coefficient de Poisson négatives », Matériaux avancés, vol. 27, no 8,‎ , p. 1455–1459 (PMID 25504060, DOI 10.1002 / adma.201404106)
  6. (en) Joseph N. Grima, Michel C. Grech, James N. Grima-Cornish, Ruben Gatt et Daphne Attard, « Comportement Auxetic géant en graphène d'ingénierie », Annalen der Physik, vol. 530, no 6,‎ , p. 1700330 (ISSN 1521-3889, DOI 10.1002 / andp.201700330, Bibcode 2018AnP ... 53000330G)
  7. « Ratios de Poisson négatifs dans les tendons: une réponse mécanique inattendue », Acta Biomater., vol. 24,‎ , p. 201–208 (PMID 26102335, DOI 10.1016 / j.actbio.2015.06.018)
  8. Auxetic materials, (lire en ligne).
  9. Baum et al. 1984, journal Tappi, Öhrn, O. E. (1965): Variations d'épaisseur d'un papier d'étirement, Svensk Papperstidn. 68 (5), 141.
  10. « Déconstruire le comportement auxétique du papier », Etat Physica Solidi B, vol. 251, no 2,‎ , p. 289–296 (DOI 10.1002 / pssb.201384243, Bibcode 2014PSSBR.251..289V)
  11. Schenk Marque, Structures en coquille pliées, thèse de doctorat, Université de Cambridge, Clare College, (http: //www.markschenk.com/research/files/PhD%20thesis%20-%20Mark%20Schenk.pdf)
  12. Cheng Lv, Deepakshyam Krishnaraju, Goran Konjevod, Hongyu Yu et Hanqing Jiang, « Métamatériaux mécaniques à base d'origami », Rapports scientifiques, vol. 4,‎ , p. 5979 (PMID 25099402, PMCID 4124469, DOI 10.1038 / srep05979)
  13. Maryam Eidini et Glaucio H. Paulino, « Révéler les propriétés des métamatériaux dans des feuilles pliées en zigzag », de Science Advances, vol. 1, no 8,‎ , e1500224 (ISSN 2375-2548, PMID 26601253, PMCID 4643767, DOI 10.1126 / sciadv.1500224, Bibcode 2015SciA ... .1E0224E, arXiv 1502.05977)
  14. Maryam Eidini, « Métamatériaux mécaniques à feuille cellulaire pliée à la base de zigzag », Extreme Mechanics Letters, vol. 6,‎ , p. 96-102 (DOI 10.1016 / j.eml.2015.12.006, arXiv 1509.08104)
  15. Tiemo Bückmann, « Métamatériaux mécaniques 3D sur mesure réalisés par lithographie optique intégrée au laser à insertion directe », Matériaux avancés, vol. 24, no 20,‎ , p. 2710–2714 (PMID 22495906, DOI 10.1002 / adma.201200584)
  16. (en) James N. Grima ‐ Cornish, Joseph N. Grima et Kenneth E. Evans, « Sur les propriétés structurelles et mécaniques du poly (phénylacétylène) ressemblant à un treillis Nanonréseaux hiérarchiques hexagonaux », Etat Physica Solidi B, vol. 254, no 12,‎ , p. 1700190 (ISSN 1521-3951, DOI 10.1002 / pssb.201700190, Bibcode 2017PSSBR.25400190G)
  17. M Stetsenko, « Détermination des constantes élastiques des hydrocarbures de produits pétroliers lourds à l'aide d'une approche de simulation en dynamique moléculaire », Journal of Petroleum Science and Engineering, vol. 126,‎ , p. 124–130 (DOI 10.1016 / j.petrol.2014.12.021, lire en ligne)
  18. « Induction d'un comportement auxétique hors du plan chez les non-tissés aiguilletés », Etat Physica Solidi B, vol. 252, no 7,‎ , p. 1455–1464 (DOI 10.1002 / pssb.201552036, Bibcode 2015PSSBR.252.1455V)
  19. (en) Prateek Verma, Meisha L. Shofner, Angela Lin, Karla B. Wagner et Anselm C. Griffin, « Induction of auxetic response in needle-punched nonwovens: Effects of temperature, pressure, and time », Physica Status Solidi B, vol. 253, no 7,‎ , p. 1270–1278 (ISSN 1521-3951, DOI 10.1002/pssb.201600072)
  20. G.E. Stavroulakis, « Auxetic behaviour: Appearance and engineering applications », Physica Status Solidi B, vol. 242, no 3,‎ , p. 710–720 (DOI 10.1002/pssb.200460388, Bibcode 2005PSSBR.242..710S)

Liens externes[modifier | modifier le code]