Les écailles de carpe sont très résistantes à la pénétration. Les techniques avancées d'imagerie par rayons X ont révélé pourquoi.

Copier la carpe pourrait conduire à des matériaux plus résistants

Les ingénieurs des matériaux et les scientifiques du Lawrence Berkley National Laboratory ont été intrigués par la flexibilité et la durabilité des écailles de poisson. Les biologistes marins savaient que les écailles de poisson ont une coquille extérieure dure avec une couche intérieure plus douce, et elles sont résistantes et ductiles. Lorsque les dents du prédateur tentent de s’enfoncer dans les écailles, la coquille extérieure résiste à la pénétration mais l’intérieur doit absorber la charge excessive pour garder les écailles en un seul morceau.

Pour déterminer comment les écailles de poisson sont imagées pour gérer les impacts et le stress, l’équipe de Livermore a utilisé l’imagerie aux rayons X pour étudier et observer les écailles de carpe à l’échelle nanométrique.

Les écailles de carpe sont très résistantes à la pénétration. Les techniques avancées d’imagerie par rayons X ont révélé pourquoi.

Les chercheurs ont utilisé de puissants faisceaux de rayons X à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour regarder les fibres des écailles de carpe réagir au stress. Il s’avère que les fibres de l’échelle, qui sont constituées de collagène et de certains minéraux, sont tordues en ce qu’on appelle une structure Bouligand.

Lorsqu’une contrainte est appliquée au matériau, les fibres et les couches tournent en séquence pour absorber la charge excessive.

Une structure Bouligand est constituée de couches de fibres entrelacées mais alignées empilées les unes sur les autres mais chacune légèrement tournées par rapport à la couche inférieure et supérieure.Une structure Bouligand se compose de couches de fibres entrelacées mais alignées empilées les unes sur les autres mais chacune légèrement tournées par rapport à la couche inférieure et supérieure.

«C’est ce qu’on appelle la réorientation adaptative – c’est comme un matériau intelligent», explique Robert Ritchie, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à UC Berkeley. «En utilisant une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles, nous pouvons l’observer réagir en temps réel à l’aide du synchrotron. Nous l’irradions avec des rayons X, et nous pouvons réellement voir les fibres tourner et se déplacer. »

Le collagène qui compose la peau humaine, d’autre part, est «tout foiré comme un bol de spaghetti, mais il peut se défaire et s’aligner pour absorber l’énergie, ce qui rend la peau incroyablement résistante aux déchirures», a déclaré Ritchie. La structure Bouligand à l’échelle de la carpe est beaucoup plus organisée mais constitue toujours un mécanisme de trempe efficace.

L'image de microscopie optique de la section transversale d'une échelle de carpe montre une structure multicouche.L’image de microscopie optique de la section transversale d’une échelle de carpe montre une structure multicouche.Quan et coll.

L’autre caractéristique notable d’une écaille de carpe est le gradient lisse entre les couches dures et molles. «Si nous faisions cela comme une armure, nous aurions une interface abrupte entre le matériau dur et le matériau mou. L’interface est invariablement le point de départ des fissures et des défaillances », explique Ritchie, un expert de la défaillance des matériaux. « Au lieu d’avoir une interface où il y a discontinuité entre un matériau et un autre, les échelles ont un gradient parfait du matériau dur au matériau souple. »

Maintenant que les mécanismes de déformation et de rupture des écailles de carpe ont été caractérisés, essayer de reproduire ces propriétés dans un matériau d’ingénierie est le prochain défi. Ritchie note que les progrès de l’impression 3D pourraient fournir un moyen de fabriquer des dégradés comme le fait la nature, créant ainsi des matériaux à la fois durs et ductiles.

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