Des chercheurs de l’Université de Toronto créent un nanomatériau grâce à l’impression 3D

Des chercheurs de l’Université de Toronto ont mis au point, grâce à l’apprentissage automatique et à l’impression 3D, des matériaux nano-architecturés alliant la solidité de l’acier au carbone à la légèreté du polystyrène. L’impression 3D, qui facilite la création de matériaux innovants, devient ainsi un outil de plus en plus utilisé pour concevoir des matériaux aux propriétés avantageuses pour divers domaines. Ce développement n’est pas une première, car de plus en plus de nouvelles avancées voient le jour dans ce domaine, avec un impact potentiel pour de nombreuses industries.

Sous la direction du professeur Tobin Filleter, une équipe a développé des nanomatériaux aux caractéristiques intéressantes, alliant robustesse, légèreté et capacité d’adaptation. Ce procédé pourrait transformer de nombreux secteurs, de l’automobile à l’aérospatiale. Mais comment ce matériau a-t-il été conçu et quelles sont ses propriétés exactes ? Lisez la suite de l’article pour en savoir plus.

Des matériaux nano-architecturés et imprimés en 3D pour des applications aérospatiales ultra-légères et résistantes

Ces matériaux sont composés de petites unités répétitives, mesurant seulement quelques centaines de nanomètres. Pour en atteindre l’épaisseur d’un cheveu humain, il faudrait en aligner plus de 100. Ces unités, principalement constituées de carbone, forment des structures 3D complexes appelées nano-réseaux. « Ces matériaux profitent de l’effet ‘plus petit est plus fort’ en combinant des formes efficaces avec des tailles à l’échelle nanométrique, ce qui leur permet d’avoir un excellent rapport entre résistance et poids », explique Peter Serles, l’un des chercheurs principaux. « Cependant, les formes classiques des treillis génèrent souvent des angles aigus, créant des points de tension qui affaiblissent le matériau. C’est en cherchant une solution à ce problème que l’idée d’utiliser l’apprentissage automatique est venue naturellement. »

Peter Serles et Tobin Filleter ont collaboré avec le Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) en Corée du Sud pour développer leurs matériaux. L’équipe a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique pour prédire les meilleures formes pour améliorer la résistance et la légèreté des matériaux. Ensuite, Serles a utilisé une imprimante 3D  par polymérisation à deux photons pour créer des prototypes à l’échelle micro et nanométrique. Les nano-réseaux améliorés ont plus que doublé la résistance des modèles précédents, capable de supporter une contrainte de 2,03 mégapascals par mètre cube et par kilogramme, soit environ cinq fois celle du titane.

« Pour la première fois, nous avons utilisé l’apprentissage automatique pour optimiser des matériaux nano-architecturés, et les résultats nous ont étonnés », explique Serles. « L’algorithme n’a pas simplement copié les formes qui fonctionnaient, il a appris des ajustements effectués et a su prédire de nouvelles structures. Habituellement, l’apprentissage automatique nécessite beaucoup de données, mais notre algorithme n’a eu besoin que de 400 points de données, contre des dizaines de milliers pour d’autres méthodes, ce qui nous a permis de travailler avec un ensemble de données plus petit mais de très haute qualité. » L’objectif de ces nouvelles conceptions est de créer des composants ultra-légers pour des applications aérospatiales, comme les avions, hélicoptères et engins spatiaux. Ces matériaux pourraient réduire la consommation de carburant tout en maintenant les standards de sécurité et de performance.

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*Crédits de toutes les photos : University of Toronto