- Auteur, José Manuel Torralba
- Titre de l’auteur, La conversation*
Batteries à anode de silicium fabriquées à partir de nanomatériaux ; nanotubes de carbone recyclables ; tissus et organes vivants créés en laboratoire… L’impact des supermatériaux sur nos vies a déjà commencé.
La santé est le domaine dans lequel l’évolution de la science et de l’ingénierie des matériaux a le plus d’impact.
Sera-t-il possible de fabriquer de nouveaux organes artificiels ? Sera-t-il possible d’avoir des implants qui, une fois placés dans notre corps, seront absorbés et en même temps se régénéreront avec notre propre os ?
Sera-t-il possible de personnaliser n’importe quel implant à la limite du diamètre de nos artères ? Sera-t-il possible de reproduire des maladies dans des organes artificiels pour tester des traitements avant de les expérimenter sur des êtres vivants ? Réaliserons-nous le rêve de la jeunesse éternelle ?
La réponse est oui. Non seulement c’est possible, mais nous le verrons bientôt.
La révolution des implants et des tissus artificiels
L’équipe du projet HUMANeye a développé et testé un implant cornéen à mémoire de forme.
Il est fabriqué à partir de nitinol, un alliage nickel-titane déjà utilisé dans les stents, les fils dentaires, les vis orthopédiques et autres fournitures chirurgicales.
Résultats HUMANeye Ils constituent une porte ouverte vers la résolution des maladies de la cornée, l’une des principales causes de cécité dans le monde.
Mais les portes qui s’ouvrent avec des matériaux à mémoire de forme vont bien plus loin. Le marché des alliages à mémoire de forme devrait croître à un TCAC de 11,2 % de 2022 à 2029.
Un exemple innovant de cette avancée technologique a été présenté lors de la conférence Hannover Messe : le premier réfrigérateur au monde refroidi par des muscles artificiels en nitinol.
Des implants en nitinol sont déjà fabriqués en laboratoire avec une forme personnalisée selon le patient grâce à l’impression 3D. Ces implants s’auto-expansent une fois installés et évitent les traitements ultérieurs, souvent agressifs, après la première intervention chirurgicale.
L’impression 4D de matériaux à mémoire permet à la pièce fabriquée d’évoluer au fil du temps tant dans sa forme que dans sa composition. Ce processus révolutionnaire promet de nouvelles opportunités en matière de régénération tissulaire et de chirurgies reconstructives.
La bio-impression combine des cellules et des biomatériaux pour créer des tissus et des organes vivants pouvant être utilisés pour remplacer des structures endommagées ou vieillies, ainsi que pour remplacer des modèles animaux dans des essais pharmacologiques ou dans la génération de modèles de maladies.
La création de tissus artificiels (comme les tendons bio-inspirés) est déjà une réalité.
Batteries avec plus de mémoire grâce aux nanomatériaux
Enfin, les nanomatériaux arriveront dans l’industrie avec le développement de nouvelles batteries et de nouveaux matériaux composites.
A partir de nanofibres de silicium, des anodes peuvent être fabriquées pour les batteries Li-Ion avec une capacité de stockage bien supérieure à celle des anodes en graphite actuellement utilisées (qui sont également un matériau critique) et nécessite beaucoup plus de cycles de recharge.
Ces anodes sont construites à partir d’un produit qui ressemble à une feuille de papier et qui est déjà une réalité fabriquée dans une usine pilote de l’initiative Floatech de l’Institut des Matériaux IMDEA.
Mais les innovations en matière de batteries Li-Ion vont au-delà des matériaux qui composent l’anode et la cathode.
L’utilisation de nanoparticules permet d’éviter (ou de réduire) les risques d’explosion aussi bien des électrolytes que des carters.
Nanotubes de carbone recyclables
Des progrès sont également réalisés sur l’un des problèmes considérés comme « endémiques » aux nanotubes de carbone : leur recyclage.
Un ouvrage récemment publié dans le prestigieux magazine Carbon avance la possibilité de les recycler selon le même schéma qu’une construction LEGOⓇ.
Nanotubes recyclés pourraient revenir à leur état initial, comme des blocs de construction.
Ils pourraient se dissoudre et devenir des solutions cristallines liquides, qui pourraient ensuite être refilées en une nouvelle fibre de haute qualité.
Ces avancées, ainsi que le développement de polymères « plus » recyclables, ouvrent l’avenir à de nouveaux matériaux composites. cela contribuera, entre autres, à promouvoir un secteur aéronautique plus durable.
Les nanomatériaux contribueront également au développement de capteurs permettant de surveiller les dommages structurels pouvant survenir pendant le vol.
Avec tout cela, nous aurons des avions plus durables et beaucoup plus sûrs.
Matériaux ductiles, résistants et multifonctionnels à la fois
L’émergence en 2004 des alliages à haute entropie Cela a ouvert de nombreuses voies de développement, mettant l’intégralité du tableau périodique entre les mains de ceux d’entre nous qui conçoivent des alliages.
Aujourd’hui, nous sommes sur le point d’utiliser ces alliages pour apporter des améliorations dans des domaines aussi divers que la haute température nécessaire dans un moteur d’aviation et le développement de propriétés magnétiques et/ou électriques particulières, fondamentales dans le développement de nouvelles façons de générer de l’énergie.
Alliages à haute entropie nous permettent de développer des matériaux impensables il y a peu.
Nous nous approchons du rêve de ce qui était il y a peu une contradiction : des matériaux résistants et ductiles à la fois.
Lorsqu’on ne peut plus aller plus loin en modifiant la composition chimique d’un matériau, on peut tenter de donner à ses composants de base des agencements qui lui confèrent des propriétés exceptionnelles.
C’est ainsi que naissent les métamatériaux.
On peut modifier la surface d’un matériau en créant des structures qui forcent les ondes à se déplacer, dévier, réfléchir…
De cette façon, nous pouvons obtenir des matériaux invisibles (si c’est la lumière que nous manipulons), ou indétectables par radar, ou encore qui isolent complètement le bruit.
En manipulant l’architecture interne du matériau, nous pouvons obtenir des propriétés mécaniques imprévisibles. Ce sont des matériaux authentiques qui confinent à la magie.
L’IA accélère tout
À l’heure actuelle, tout développement de matériaux repose sur trois piliers fondamentaux : les nouvelles techniques de fabrication (avec une importance particulière pour l’impression 3D), l’émergence de l’intelligence artificielle (IA) et le fait que tout développement doit être aligné sur la durabilité et l’utilisation efficace des matières premières. matériels.
Le nombre d’études appliquant l’IA à la science des matériaux a augmenté de 1,67 fois par an au cours de la dernière décennie. Mais la durabilité signifie que les choses ne sont pas si simples aujourd’hui.
Pour tout développement, nous devons tenir compte des métaux dont nous disposons sur la planète.
De plus, nous devons prendre en compte de nombreux autres critères de conception qui n’étaient pas pris en compte auparavant.
Par exemple, si l’on pensait à la résistance, cela se faisait au détriment de la ductilité, et on ne pensait pas qu’un même matériau pouvait avoir plusieurs fonctions.
Avec tout cela, en ce 21e siècle, le nombre de combinaisons de variables est immense. Et c’est là qu’intervient l’IA pour rendre tout, ou presque, possible.
La science des matériaux se développe comme de la mousse et son impact est déjà en train de nous transformer. Nouvelle année, nouveaux défis.
* José Manuel Torralba est professeur à l’Université Carlos III de Madrid. Cet article est paru sur The Conversation. Vous pouvez lire la version originale ici.
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