Auxétisme

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 ou la silice 2D, 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

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
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
  1. (en) Yan Li et Changchun Zeng, « On the successful fabrication of auxetic polyurethane foams: Materials requirement, processing strategy and conversion mechanism », Polymer, vol. 87,‎ , p. 98–107 (DOI 10.1016/j.polymer.2016.01.076, lire en ligne, consulté le )
  2. (en) Yan Li et Changchun Zeng, « Room-Temperature, Near-Instantaneous Fabrication of Auxetic Materials with Constant Poisson's Ratio over Large Deformation », Advanced Materials, vol. 28, no 14,‎ , p. 2822–2826 (DOI 10.1002/adma.201505650, lire en ligne, consulté le )
  3. (en) Amir Yeganeh-Haeri, Donald J. Weidner et John B. Parise, « Elasticity of α-Cristobalite: A Silicon Dioxide with a Negative Poisson's Ratio », Science, vol. 257, no 5070,‎ , p. 650–652 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, DOI 10.1126/science.257.5070.650, lire en ligne, consulté le )
  4. (en) Maria Burke, « A stretch of the imagination », New Scientist, vol. 154, no 2085,‎ , p. 36 (lire en ligne , consulté le )
  5. (en) Joseph N. Grima, Szymon Winczewski, Luke Mizzi et Michael C. Grech, « Tailoring Graphene to Achieve Negative Poisson's Ratio Properties », Advanced Materials, vol. 27, no 8,‎ , p. 1455–1459 (DOI 10.1002/adma.201404106, lire en ligne, consulté le )
  6. (en) Joseph N. Grima, Michael C. Grech, James N. Grima-Cornish et Ruben Gatt, « Giant Auxetic Behaviour in Engineered Graphene », Annalen der Physik, vol. 530, no 6,‎ , p. 1700330 (DOI 10.1002/andp.201700330, lire en ligne, consulté le )
  7. (en) Ruben Gatt, Michelle Vella Wood, Alfred Gatt et Francis Zarb, « Negative Poisson’s ratios in tendons: An unexpected mechanical response », Acta Biomaterialia, vol. 24,‎ , p. 201–208 (DOI 10.1016/j.actbio.2015.06.018, lire en ligne, consulté le )
  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. (en) Prateek Verma, Meisha L. Shofner et Anselm C. Griffin, « Deconstructing the auxetic behavior of paper: Deconstructing the auxetic behavior of paper », physica status solidi (b), vol. 251, no 2,‎ , p. 289–296 (DOI 10.1002/pssb.201384243, lire en ligne, consulté le )
  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. (en) Cheng Lv, Deepakshyam Krishnaraju, Goran Konjevod et Hongyu Yu, « Origami based Mechanical Metamaterials », Scientific Reports, vol. 4, no 1,‎ , p. 5979 (ISSN 2045-2322, PMID 25099402, PMCID PMC4124469, DOI 10.1038/srep05979, lire en ligne, consulté le )
  13. (en) Maryam Eidini et Glaucio H. Paulino, « Unraveling metamaterial properties in zigzag-base folded sheets », Science Advances, vol. 1, no 8,‎ , e1500224 (ISSN 2375-2548, PMID 26601253, PMCID PMC4643767, DOI 10.1126/sciadv.1500224, lire en ligne, consulté le )
  14. (en) Maryam Eidini, « Zigzag-base folded sheet cellular mechanical metamaterials », Extreme Mechanics Letters, vol. 6,‎ , p. 96–102 (DOI 10.1016/j.eml.2015.12.006, lire en ligne, consulté le )
  15. (en) Tiemo Bückmann, Nicolas Stenger, Muamer Kadic et Johannes Kaschke, « Tailored 3D Mechanical Metamaterials Made by Dip-in Direct-Laser-Writing Optical Lithography », Advanced Materials, vol. 24, no 20,‎ , p. 2710–2714 (DOI 10.1002/adma.201200584, lire en ligne, consulté le )
  16. (en) James N. Grima-Cornish, Joseph N. Grima et Kenneth E. Evans, « On the Structural and Mechanical Properties of Poly(Phenylacetylene) Truss-Like Hexagonal Hierarchical Nanonetworks », physica status solidi (b), vol. 254, no 12,‎ , p. 1700190 (DOI 10.1002/pssb.201700190, lire en ligne, consulté le )
  17. (en) Maksym S. Stetsenko, « Determining the elastic constants of hydrocarbons of heavy oil products using molecular dynamics simulation approach », Journal of Petroleum Science and Engineering, vol. 126,‎ , p. 124–130 (DOI 10.1016/j.petrol.2014.12.021, lire en ligne, consulté le )
  18. (en) Prateek Verma, Meisha L. Shofner, Angela Lin et Karla B. Wagner, « Inducing out-of-plane auxetic behavior in needle-punched nonwovens: Inducing out-of-plane auxetic behavior in needle-punched nonwovens », physica status solidi (b), vol. 252, no 7,‎ , p. 1455–1464 (DOI 10.1002/pssb.201552036, lire en ligne, consulté le )
  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
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