Des ingénieurs ont découvert le secret spectaculaire pour fabriquer un ciment 17 fois plus résistant

Quand le béton rencontre la biologie marine

Le monde moderne repose littéralement sur le ciment, matériau omniprésent dans nos infrastructures. Pourtant, sa création représente l’une des sources les plus importantes d’émissions de gaz à effet de serre à l’échelle planétaire. Face à ce constat environnemental, la recherche de méthodes pour améliorer sa durabilité et sa sécurité est devenue une priorité absolue pour les ingénieurs.

Dans cette quête de perfectionnement des matériaux, les scientifiques se tournent souvent vers des solutions inattendues pour renforcer les matières intrinsèquement fragiles comme le béton ou la céramique. Une nouvelle étude menée par l’Université de Princeton révèle que l’inspiration pourrait venir d’un organisme marin bien connu : l’huître, et plus particulièrement sa nacre irisée.

Les chercheurs ont découvert qu’en reproduisant les caractéristiques microscopiques de la nacre, il est possible de modifier radicalement les propriétés physiques du ciment. Les résultats obtenus sont significatifs : une augmentation de la ténacité du matériau d’environ 17 fois par rapport à un bloc de ciment standard. Une fois de plus, la nature fournit les clés de l’innovation technologique.

L’architecture secrète de la nacre

L’un des attributs les plus célèbres de ces mollusques bivalves d’eau salée est la nacre, ce matériau composite irisé qui tapisse la couche interne de la coquille de l’animal. Si cette substance, également connue sous le nom de « mère des perles », est depuis longtemps une vedette dans les bijouteries du monde entier, elle constitue avant tout une merveille architecturale naturelle.

La structure de la nacre est complexe. Elle contient des « tablettes » hexagonales microscopiques composées d’aragonite, l’une des formes naturelles les plus courantes de carbonate de calcium. Ces tablettes sont maintenues ensemble par un biopolymère mou, qui agit un peu comme une colle organique au sein de la structure.

C’est cette combinaison spécifique qui confère à la nacre ses propriétés exceptionnelles. L’aragonite apporte la résistance, tandis que le biopolymère fournit la flexibilité. Le résultat est un matériau incroyablement souple et résistant aux fissures. Cette manœuvre des mollusques, affinée par un demi-milliard d’années d’évolution, a poussé les scientifiques du Département de génie civil et environnemental de l’Université de Princeton à se demander si ces avantages pouvaient être transférés aux matériaux de construction humains.

Un protocole expérimental en trois étapes

Les résultats de cette investigation ont été publiés dans la revue Advanced Functional Materials. L’équipe a cherché à reproduire la synergie naturelle observée dans la coquille. Shashank Gupta, co-auteur de l’étude et étudiant diplômé à Princeton, a expliqué l’importance de cette structure dans un communiqué de presse : « Cette synergie entre les composants durs et mous est cruciale pour les propriétés mécaniques remarquables de la nacre. Si nous pouvons concevoir du béton pour résister à la propagation des fissures, nous pouvons le rendre plus tenace, plus sûr et plus durable. »

Pour atteindre cet objectif ambitieux, l’équipe dirigée par Shashank Gupta a fabriqué trois types de poutres multicouches alternant des feuilles de pâte de ciment et une fine couche de polymère. La première poutre était constituée de ces deux ingrédients simplement empilés l’un sur l’autre. Les deux autres poutres présentaient des modifications structurelles plus poussées pour imiter la nature.

La deuxième poutre comportait des rainures hexagonales gravées dans la pâte de ciment. La troisième poutre, quant à elle, poussait le mimétisme plus loin : le ciment était coupé complètement pour former des plaques ou « tablettes » de forme hexagonale, séparées mais maintenues par la couche polymère. Pour valider les résultats, ces trois prototypes ont été comparés à une poutre de référence en pâte de ciment coulé classique, dépourvue de couches de polymère ou de marquages hexagonaux.

Des performances multipliées par dix-sept

Les expériences menées par l’équipe de Princeton ont livré des conclusions tranchées. La poutre de référence s’est révélée fragile, ne montrant aucune ductilité — c’est-à-dire aucune capacité à se déformer sans se rompre. En revanche, les trois poutres expérimentales ont toutes démontré une augmentation significative de leur ductilité et de leur ténacité.

Cependant, selon les chercheurs, c’est la poutre multicouche dotée des plaques hexagonales inspirées de la nacre qui a offert les résultats les plus remarquables. En reproduisant la mécanique de la nacre au niveau microscopique, cette poutre a délivré une ténacité 17 fois supérieure à celle du ciment coulé standard. De plus, elle a affiché une ductilité 19 fois plus importante.

Un point crucial de cette découverte est que ces gains en souplesse et en résistance à la rupture n’ont pas compromis la solidité structurelle de base. La poutre aux motifs hexagonaux a maintenu autant de résistance (strength) que la poutre de référence, tout en acquérant ces nouvelles propriétés de durabilité.

Vers une construction plus verte et plus intelligente

Le mécanisme qui permet cette performance repose sur le mouvement interne du matériau. Reza Moini, co-auteur de l’étude, a détaillé cette approche dans le communiqué de presse : « Notre approche bio-inspirée ne consiste pas simplement à imiter la microstructure de la nature, mais à apprendre des principes sous-jacents et à les utiliser pour éclairer l’ingénierie des matériaux fabriqués par l’homme. L’un des mécanismes clés qui rend une coquille nacrée tenace est le glissement de la tablette au niveau nanométrique. »

Il ajoute une précision technique sur la philosophie de conception adoptée par l’équipe : « En d’autres termes, nous concevons intentionnellement des défauts dans les matériaux fragiles comme un moyen de les rendre plus forts par conception. » Cette méthode permet au matériau de dissiper l’énergie plutôt que de se briser net sous la contrainte.

L’enjeu dépasse la simple solidité des bâtiments. Un ciment plus fort et plus sûr serait également bénéfique pour la santé de la planète, sachant que la production de ciment représente environ 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Bien que l’étude montre des résultats prometteurs pour ces matériaux inspirés de la nacre, cette technique multicouche à plaques hexagonales nécessitera encore quelques ajustements avant que les entreprises de construction ne commencent à échanger leur mortier habituel contre des solutions inspirées des mollusques.

Selon la source : popularmechanics.com