La nacre : une source d’inspiration en céramique

Un extrait de Bio-inspiration pour l’amélioration des céramiques et des composites structuraux par Florian BOUVILLE

Le principal but d’adapter les microstructures naturelles pour les composites céramiques est de produire des matériaux plus tenaces, à même de pouvoir diminuer le risque de fractures imprévues. De tous les matériaux développés, ces dernières années, les nacres d’alumine représentent une première opportunité de développement pour plusieurs raisons : le matériau de base, l’oxyde d’aluminium, est une des céramiques techniques les plus communément utilisées, les procédés sont proches des procédés céramiques traditionnellement utilisés et finalement, les propriétés mécaniques obtenues sont au-dessus des composites à base d’oxydes utilisés en 2020. En matière d’applications, les premières visées sont les applications déjà occupées par les composites à fibres longues à base d’oxyde, donc les pièces de moteurs fonctionnant à haute température, comme des chambres de combustion, des tuyères ou des pièces d’isolation thermique.

La coquille et le marteau

Afin de protéger leurs organes vitaux et grâce à des millénaires d’évolution, les mollusques présentent une coquille capable de résister à la fois aux chocs dus aux vagues et aux attaques des prédateurs. La coquille des mollusques peut être constituée de plusieurs structures différentes, dont la nacre, suivant les espèces et les croissances saisonnières. La nacre est présente dans la plupart des coquilles et leur donnent leur aspect iridescent. Elle est constituée de tablettes d’une dizaine de microns de longueur et d’un demi-micron d’épaisseur parfaitement imbriquées les unes avec les autres. Ces tablettes faites d’aragonite, une des structures cristallines possibles du carbonate de calcium, sont séparées par une fine épaisseur de protéine d’environ 20 nm. Toutes ces caractéristiques font de la nacre un matériau extrêmement tenace et ce, malgré le fait qu’il soit constitué de 95 % de minéral et seulement 5 % de protéine. C’est cette composition qui a longtemps attiré les céramistes car la présence d’une si grande fraction minérale laisse à penser que des céramiques basées sur cette structure pourraient en conserver les performances.

La crevette-mante paon, ou squille multicolore, est un crustacé de la famille des stomapodes qui est connu des aquariophiles pour ses couleurs vives. Les chercheurs ont commencé il y a quelques années seulement à s’y intéresser pour une raison toute autre : cet animal se nourrit essentiellement de mollusques. Cela veut dire que malgré le fait que la nacre présente une ténacité extrême pour un matériau naturel avec des valeurs de ténacité de 3 à 9 MPa.m1/2, la crevette-mante paon s’est dotée au fil de son évolution d’une arme capable de casser les coquilles de mollusques. Il s’agit d’un marteau monté sur un ressort naturel et dont la structure est faite pour résister aux impacts. La vitesse atteinte par cet appendice au moment du contact peut atteindre 20 m/s et une force de plus de 700 N. Plus impressionnant encore, ce matériau naturel peut résister à plusieurs dizaines de ces impacts sur des coquilles ou sur des roches sans que son marteau ne se brise. Le fait remarquable ici est que les compositions de la nacre et du marteau sont presque identiques, les parties minérales en tout cas possèdent des propriétés très proches. La question qui se pose pour nous est celle du degré auquel nous devons, ou dans la plupart des cas nous pouvons, reproduire ces structures avec d’autres procédés et quels sont les points critiques à reproduire.