vignette|Animation 1. Mesure 3D d'un matériau auto-cicatrisant de « Tosoh Corporation » mesuré à l'aide d'un microscope holographique numérique. La surface a été rayée par un outil métallique. vignette|Animation 2. Section d'un matériau auto-cicatrisant récupérant d'une égratignure Les matériaux auto-cicatrisants sont des matériaux synthétiques qui ont la capacité de se réparer automatiquement après avoir subi des dommages, et ce, sans aucun diagnostic externe du problème ou intervention humaine. En général, les matériaux se dégradent avec le temps en raison de la fatigue mécanique, des conditions environnementales ou des dommages subis dus à l'usure. Il a été démontré que les fissures et autres types de dommages physiques au niveau microscopique modifient les propriétés thermiques, électriques et acoustiques des matériaux, et la propagation des fissures peut entraîner une défaillance éventuelle du matériau. Les fissures sont difficiles à détecter au stade précoce et une intervention manuelle est nécessaire pour les inspections et les réparations périodiques. Par contre, les matériaux auto-guérissants préviennent la dégradation en initiant un mécanisme de réparation qui répond aux micro-dommages.
Bien que les types les plus courants de matériaux auto-cicatrisants soient les polymères et les élastomères, l'auto-cicatrisation couvre toutes les classes de matériaux, y compris les métaux, les céramiques et les matériaux cimentaires.
Un matériau qui peut réparer les dommages causés dus à l'usure sans intervention externe permettrait d'éviter les coûts encourus par une défaillance matérielle et réduire les coûts de certains processus industriels différents grâce à une plus longue durée de vie des pièces et à la réduction de l'inefficacité causée par la dégradation au fil du temps.
Histoire
Les anciens Romains utilisaient un mélange de mortier de chaux qui s'est avéré avoir des propriétés d'auto-guérison. En 2014, la géologue Marie Jackson ainsi que ses collègues ont recréé le type de mortier utilisé dans le marché de Trajan et d'autres structures romaines comme le Panthéon et le Colisée. Ils ont étudié sa réponse à la fissuration. Les anciens Romains mélangeaient un type particulier de cendre volcanique provenant des volcans des Monts Albains et appelée pozzolane rosse avec de la chaux vive et de l'eau. Ils l'ont utilisé pour lier ensemble des morceaux de tuf, un agrégat de roche volcanique, de la taille d'un décimètre. En raison de l' activité pouzzolanique lorsque le matériau durci, la chaux interagi avec d'autres produits chimiques dans le mélange et est remplacée par des cristaux d'un minéral d'aluminosilicate de calcium appelé Strätlingite. Ces cristaux en plaques se développent dans la matrice cimentaire du matériau, y compris les zones interfaciales où les fissures auraient tendance à se développer. Cette formation cristalline maintient ensemble le mortier et l'agrégat grossier, contrant la formation de fissures. Cela explique l'obtention d'un matériau qui a duré .
La science des matériaux Les processus connexes dans le béton ont été étudiés au niveau microscopique depuis le .
Les matériaux auto-cicatrisants ont uniquement fait leur apparition comme domaine d'étude au . En 2007, la toute première conférence internationale sur ces matériaux a eu lieu. Le domaine des matériaux auto-guérissants est lié aux matériaux biomimétiques ainsi qu'à d'autres nouveaux matériaux et surfaces dotés de la capacité intégrée d'auto-organisation, tels que les matériaux autolubrifiants et autonettoyants.
Biomimétique Les plantes et les animaux ont la capacité de sceller et de cicatriser leurs plaies. Chez toutes les plantes et tous les animaux examinés, deux phases peuvent être identifiées: une phase d'auto-obturation et deuxièmement une phase d'auto-guérison. Chez les plantes, l'auto-obturation rapide évite aux plantes la dessiccation et l'infection par des germes pathogènes. Cela laisse du temps pour l'auto-guérison ultérieure de la blessure qui, en plus de la fermeture de la plaie, entraîne également la restauration (partielle) des propriétés mécaniques de l'organe végétal. Sur la base d'une variété de processus d'auto-obturation et d'auto-guérison chez les plantes, différents principes fonctionnels ont été transférés dans des matériaux d'auto-réparation bio-inspirésSelbstreparatur in Natur und Technik. – Konstruktion., 2014, , 72–75, 82. Le lien entre le modèle biologique et l'application technique est une abstraction décrivant le principe fonctionnel sous-jacent du modèle biologique qui peut être par exemple un modèle analytique ou un modèle numérique. Dans les cas où des processus principalement physico-chimiques sont impliqués, un transfert est particulièrement prometteur.
Il existe des preuves dans la littérature académique de ces approches de conception biomimétique utilisées dans le développement de systèmes d'auto-guérison pour les composites polymères.
Inspiré par les processus d'auto-étanchéité rapides de la liane Aristolochia macrophylla et des espèces apparentées, un revêtement en mousse de polyuréthane biomimétique pour les structures pneumatiques a été développé. En ce qui concerne le faible poids du revêtement et l'épaisseur de la couche de mousse, des efficacités de réparation maximales de 99,9 % et plus ont été obtenues. D'autres modèles sont les plantes à latex comme le figuier pleureur (Ficus benjamina), l'hévéa (Hevea brasiliensis) et les euphorbes (Euphorbia spp.), chez qui la coagulation du latex est impliquée dans le colmatage des lésions. Différentes stratégies d'auto-obturation des matériaux élastomères ont été développées montrant une restauration mécanique importante après une lésion macroscopique.
Polymères et élastomères auto-cicatrisants Durant le , les polymères sont devenus un matériau essentiel dans la vie quotidienne pour des produits comme les plastiques, les caoutchoucs, les films, les fibres (textiles et autres) ou les peintures. Cette grande demande a obligé à prolonger leur fiabilité et leur durée de vie, et une nouvelle classe de matériaux polymères capables de restaurer leur fonctionnalité après un dommage a été envisagée. Ces matériaux polymères auto-cicatrisants ou auto-guérissants peuvent être divisés en deux groupes différents en fonction de l'approche du mécanisme d'auto-guérison : intrinsèque ou extrinsèque. Les polymères auto-guérissants autonomes suivent un processus en trois étapes très similaire à celui d'une réponse biologique. En cas de dommage, la première réponse est le déclenchement ou l'actionnement, qui se produit presque immédiatement après le dommage. La deuxième réponse est le transport de matériaux vers la zone touchée, qui se produit également très rapidement. La troisième réponse est le processus de réparation chimique. Ce processus diffère selon le type de mécanisme de cicatrisation en place (par exemple, polymérisation, enchevêtrement, réticulation réversible). Ces matériaux peuvent être classés selon trois mécanismes (capsulaire, vasculaire et intrinsèque), qui peuvent être corrélés chronologiquement sur quatre générations. Bien que similaires à certains égards, ces mécanismes diffèrent dans la manière dont la réponse est masquée ou empêchée jusqu'à ce que des dommages réels soient subis.
Dégradation des polymères Au niveau moléculaire, les polymères traditionnels brisent sous le stress mécanique par clivage des liaisons sigma. Alors que les polymères plus récents peuvent céder d'autres manières, les polymères traditionnels cèdent généralement par clivage de liaison homolytique ou hétérolytique. Les facteurs qui déterminent le rendement d'un polymère comprennent : le type de contrainte, les propriétés chimiques inhérentes au polymère, le niveau et le type de solvatation et la température. Au niveau macromoléculaire, les dommages induits par le stress au niveau moléculaire entraînent des dommages à plus grande échelle appelés microfissures. Une microfissure se forme là où les chaînes polymères voisines ont été endommagées à proximité, ce qui conduit finalement à l'affaiblissement de la fibre dans son ensemble.
Clivage de liaison homolytique vignette|279x279px| Schéma 1. Clivage homolytique du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Il a été observé que les polymères subissent un clivage de leur liaison homolytique par l'utilisation de rapporteurs radicaux tels que DPPH (2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl) et PMNB (pentaméthylnitrosobenzène). Lorsqu'une liaison est clivée de manière homolytique, deux espèces radicalaires sont formées et qui peuvent se recombiner pour réparer les dommages ou peuvent initier d'autres clivages homolytiques qui pourraient à leur tour entraîner davantage de dommages.
Clivage de liaison hétérolytique vignette|288x288px| Schéma 2. Clivage hétérolytique du polyéthylène glycol . On a également observé que les polymères subissaient un clivage de liaison hétérolytique par le biais de marquage isotopique. Lorsqu'une liaison est clivée de manière hétérolytique, des espèces cationiques et anioniques se forment et qui peuvent soit à leur tour se recombiner pour réparer les dommages, être désactivées par un solvant ou réagir de manière destructive avec les polymères voisins.
Clivage de liaison réversible Certains polymères cèdent aux tensions mécaniques de manière atypique et réversible. Les polymères à base de Diels-Alder subissent une cycloaddition réversible, où une contrainte mécanique clive deux liaisons sigma dans une réaction rétro Diels-Alder. Cette contrainte se traduit par des électrons pi-liés supplémentaires par opposition aux fractions radicalaires ou chargées.
Répartition supramoléculaire Les polymères supramoléculaires sont composés de plusieurs monomères qui interagissent de manière non covalente, c'est pourquoi ils sont parfois décrits comme des polymères de supramolécules. Les interactions courantes incluent les liaisons hydrogène, la coordination des métaux et les forces de van der Waals. Le stress mécanique dans les polymères supramoléculaires provoque la perturbation de ces interactions non covalentes spécifiques, conduisant à la séparation des monomères et à la dégradation des polymères.
Systèmes intrinsèques à base de polymères Dans les systèmes intrinsèques, le matériau est capable de restaurer son intégrité sans intervention externe. Tandis que les approches extrinsèques sont généralement autonomes, les systèmes intrinsèques nécessitent souvent un déclencheur externe pour que la guérison ait lieu (comme des stimuli thermomécaniques, électriques, photo-stimuli, etc.). Il est possible de distinguer 5 principales stratégies intrinsèques d'auto-guérison. Tout d'abord, le premier est basé sur des réactions réversibles, et le schéma réactionnel le plus largement utilisé est basé sur les réactions de Diels-Alder (DA) et rétro-Diels-Alder (rDA). Une deuxième stratégie réalise l'auto-guérison dans les matrices thermodurcissables en incorporant des additifs thermoplastiques fusibles. Un déclencheur de température permet la redispersion des additifs thermoplastiques dans les fissures, provoquant des emboîtements mécaniques. Ensuite, les enchevêtrements de polymères basés sur des liaisons supramoléculaires dynamiques ou des ionomères représentent un troisième et un quatrième schéma. Les interactions supramoléculaires impliquées et les clusters ionomères sont généralement réversibles et agissent comme des réticulations réversibles, pouvant ainsi doter les polymères d'une capacité d'auto-guérison. Finalement, une méthode alternative pour réaliser l'auto-guérison intrinsèque est basée sur la diffusion moléculaire.
Polymères à base de liaisons réversibles