Matériaux intelligents

Les matériaux intelligents sont des matériaux qui répondent à un stimulus externe (changement de contrainte, de température, d'humidité, de champ électrique ou magnétique, etc.) selon une loi prédéterminée. Il n'est pas nécessaire d'aller bien loin pour trouver un matériau intelligent : notre peau est l'un de ces matériaux. Elle est constituée d'une couche de cellules qui contrôlent la thermorégulation du corps et traduisent nos contacts avec l'environnement extérieur en sensations tactiles. Il existe deux façons de développer des matériaux intelligents : d'une part, on tend à développer des structures intelligentes constituées de circuits dans lesquels des capteurs physiquement séparés travaillent ensemble ; d'autre part, on tente de fabriquer des matériaux dont l'intelligence découle de leur structure microscopique. Dans les deux cas, des phénomènes sont exploités, tels que la piézoélectricité, l'effet de mémoire de forme, ou la capacité de certains matériaux à changer de couleur en réponse à des variations thermiques, électriques ou lumineuses, ou à réagir aux changements de pH du milieu. Les domaines d'application possibles sont vastes et comprennent les actionneurs et les systèmes de contrôle dans l'aérospatiale et le génie civil, les capsules pour la libération contrôlée de médicaments en médecine, etc.

Matériaux fonctionnels (materiali avanzati)

Type de matériaux de haute performance utilisés dans les applications de haute technologie. Ils peuvent être métalliques (→ métal et alliage métallique), céramiques, polymères (→ polymère), issus des nanotechnologies, etc. En électronique, les tranches de silicium ou d'arséniure de gallium, par exemple, sont actuellement utilisées pour réaliser des circuits miniaturisés complexes, où les impuretés du réseau cristallin, indispensables au fonctionnement du circuit, sont dosées et limitées à quelques parties par million, voire par milliard, afin de rendre leurs propriétés électriques contrôlables. Dans le domaine de la photonique, les matériaux utilisés sont des semi-conducteurs cristallins et des isolants amorphes, les premiers pour les sources et les récepteurs, les seconds pour le canal de transmission et pour la modulation et l'amplification du signal (→ fibre optique). Les fibres de carbone (→ carbone), un matériau qui allie légèreté et résistance exceptionnelle, sont largement utilisées dans les processus industriels. Cette catégorie comprend également les matériaux dits intelligents, qui sont capables de réagir à des stimuli environnementaux appropriés (déformations, variations de température, agents chimiques, champs électriques et magnétiques, radiations, etc.) en modifiant leurs propriétés (couleur, indice de réfraction, tensions internes, volume, etc.) Des exemples de matériaux intelligents sont les matériaux piézoélectriques (→ piézoélectricité).

Nouveaux matériaux fonctionnels

Les matériaux sont généralement classés, en fonction de leur utilisation, en deux grandes catégories, les matériaux structurels et les matériaux fonctionnels. Les matériaux structurels se caractérisent par leurs propriétés particulières de résistance, de robustesse et d'élasticité, qui les rendent aptes à construire des objets, des artefacts et des structures stables. Les aciers, le caoutchouc, les textiles, le bois, les fibres de carbone ou les fibres de verre sont des exemples de matériaux structurels, mais même un alliage d'or ou la porcelaine pour les obturations dentaires entrent dans cette catégorie.

Les matériaux fonctionnels, en revanche, doivent être capables d'accomplir une tâche, une fonction, de produire un signal en réponse à un stimulus externe (un changement de température, l'application d'un champ électrique ou d'une pression, la présence de substances dans l'air, l'irradiation par un faisceau lumineux, etc.) Souvent, ces matériaux sont combinés pour former un dispositif plus complexe, mais toujours capable d'accomplir une tâche très spécifique : pour réaliser une fonction particulière, le transistor moderne combine un matériau semi-conducteur tel que le silicium avec une fine couche d'un oxyde isolant (SiO2) et une électrode métallique. Soumis à une très faible différence de potentiel, le transistor prend un état chargé ou non chargé, ce qui permet de coder et de traiter rapidement les informations en code binaire. Un autre exemple de matériaux fonctionnels, déjà largement utilisés, est celui des capteurs de gaz. Certaines substances, notamment les oxydes semi-conducteurs, fournissent une réponse électrique qui change en fonction des molécules présentes dans l'environnement. En se déposant à la surface du matériau et en interagissant chimiquement avec lui, les molécules modifient le signal électrique généré par le capteur, ce qui permet de détecter la présence de substances même en très petites quantités. Les matériaux fonctionnels comprennent également un oxyde aux propriétés ferroélectriques comme le titanate de baryum (BaTiO3), un capteur d'ondes acoustiques comme le niobate de lithium (LiNbO3), des détecteurs de lumière comme le sulfure de cadmium et le tellurure de cadmium (CdS et CdTe), et des supraconducteurs critiques à haute température.

Alliages à mémoire de forme

Les alliages à mémoire de forme représentent une classe relativement nouvelle de matériaux métalliques et présentent des propriétés mécaniques, et donc structurelles, très particulières. La possibilité d'utiliser ces propriétés à diverses fins fait que les alliages à mémoire de forme présentent un grand intérêt également pour les applications fonctionnelles. D'une manière générale, ce terme désigne un matériau qui est capable de retrouver une forme macroscopique antérieure simplement à la suite d'un changement de température ou d'autres contraintes externes capables de stimuler une transformation cristallographique particulière et réversible. Dans ces matériaux, il y a une transformation de phase à l'état solide (c'est-à-dire dans laquelle la phase de départ et la phase d'arrivée sont toutes deux des structures solides, bien qu'avec des dispositions cristallographiques différentes), qui est appelée transformation martensitique thermoélastique. Parmi les propriétés de cette transformation, la plus intéressante est liée à la structure cristalline de la phase martensitique, qui consiste en un arrangement dense de plans cristallins disposés de façon spéculaire les uns par rapport aux autres et dotés d'une très grande mobilité relative. Lorsque le matériau est déformé par une force externe, au lieu de rompre les liaisons cristallographiques et d'endommager la structure, les plans du réseau glissent les uns par rapport aux autres, ce qui permet d'absorber la déformation globale sans déplacement atomique significatif. Comme les atomes individuels se sont très peu déplacés par rapport à leur position initiale, ils retrouvent facilement leur position avant la déformation lors du chauffage, et le matériau retrouve sa forme macroscopique initiale. Outre la caractéristique de réversibilité de la déformation, d'où l'expression mémoire de forme, ces matériaux présentent également d'autres caractéristiques, comme le comportement superélastique, grâce auquel certains alliages peuvent subir une déformation très prononcée mais retrouver immédiatement leur forme initiale grâce à de petites contraintes externes.

Les alliages à mémoire de forme trouvent des applications dans un éventail de plus en plus large de domaines, de l'industriel au médical : pour la production d'indicateurs de température utilisés dans l'industrie alimentaire, de détecteurs d'incendie ou de surchauffe des freins ; ils sont utilisés dans l'industrie automobile pour réduire les vibrations et le bruit ou comme régulateurs d'arrivée d'eau ou de lubrifiants ; dans l'industrie électromécanique, comme disjoncteurs et interrupteurs ; dans l'industrie spatiale, pour les ouvertures d'antennes thermorégulées ; en médecine, comme broches de fracture osseuse et outils d'entraînement des articulations. Parmi les alliages les plus performants figurent le NiTi, le CuZnAl et le CuAlNi.

Capteurs, actionneurs et muscles artificiels

Pour construire des dispositifs miniaturisés capables d'effectuer des mouvements, les dispositifs mécaniques sont totalement inadaptés. Ces applications nécessitent l'étude de matériaux intelligents capables de s'adapter et de réagir aux contraintes extérieures. En général, ces matériaux se déforment, bien que légèrement, lorsqu'ils sont correctement stimulés, et créent des forces dans de très petits dispositifs, appelés actionneurs, là où des leviers et des vérins hydrauliques seraient trop encombrants et trop difficiles à monter. Les matériaux à l'origine de ces applications comprennent les alliages à mémoire de forme, les matériaux céramiques piézoélectriques et pyroélectriques, les matériaux magnétostrictifs, les polymères électroactifs et autres. Les céramiques piézoélectriques (PbZr1-xTixO3, BaTiO3, PbTiO3, PbNb2O6) sont utilisées pour entraîner la tête de lecture d'un disque dur ou pour régler les caméras, et se déforment facilement lorsqu'elles sont exposées à un faible champ électrique. La déformation maximale est de l'ordre de 1%, ce qui est suffisant pour générer des forces importantes. Les capteurs et actionneurs magnétostrictifs présentent un changement de forme en réponse à l'application d'un champ magnétique, et sont utilisés dans un grand nombre d'applications. Le matériau le plus couramment utilisé dans ce contexte est le terphénol-D, un composé intermétallique de terbium et de fer, TbFe2, avec des traces d'une terre rare comme le dysprosium.

Les matériaux polymères électroactifs peuvent supporter de grandes déformations et sont très robustes. Ils se déforment rapidement et sont malléables, à tel point qu'ils sont considérés comme les éléments les plus prometteurs pour la construction d'actionneurs miniaturisés. Leurs mécanismes de fonctionnement rappellent beaucoup ceux des muscles, et le terme de muscle artificiel a été inventé pour ces systèmes. Bien que suggestive, cette définition est inappropriée, car l'objectif n'est pas de remplacer les muscles du corps humain mais d'effectuer des mouvements précis, reproductibles et miniaturisés avec une très faible consommation d'énergie. Le mécanisme de base des muscles artificiels est assez simple. Lorsqu'ils sont exposés à des champs électriques, les élastomères diélectriques se contractent dans la direction des lignes de champ électrique et se dilatent perpendiculairement à celles-ci. Les dispositifs basés sur ces matériaux sont constitués de deux plaques parallèles chargées électriquement qui prennent en sandwich un matériau isolant. Lorsque le champ électrique est appliqué, des charges de signe opposé sont générées sur les faces des deux plaques, qui s'attirent l'une l'autre, provoquant la compression de l'isolant polymère, qui réagit à son tour en se dilatant à la surface. Ces matériaux ne sont pas seulement étudiés pour la production d'actionneurs, mais peuvent également être utiles pour modifier la texture d'une surface, ce qui présente un grand intérêt pour la reproduction de phénomènes naturels tels que le mimétisme. L'expansion-compression du matériau polymère stimulée par le champ électrique peut entraîner des ondulations de surface qui modifient la réflectivité de la surface et son aspect.

Biomatériaux pour l'ingénierie des tissus et des implants

Les biomatériaux sont définis comme des matériaux conçus pour s'interfacer avec des systèmes biologiques afin de soutenir ou de remplacer des tissus, des organes ou des fonctions du corps humain qui ont perdu une partie de leur fonctionnalité ou ont été endommagés par un traumatisme ou des événements pathologiques. Le nombre de leurs applications a considérablement augmenté ces dernières années. Les biomatériaux peuvent être utilisés soit d'une manière qui leur permet d'être résorbés une fois placés au contact des tissus biologiques, soit dans des implants permanents ou des prothèses définitives (Biomaterials science, 20042). Les performances des matériaux utilisés dans le domaine médical sont évaluées en fonction de leur biofonctionnalité et de leur biocompatibilité. La biofonctionnalité fait référence aux propriétés qu'un dispositif doit posséder pour reproduire une fonction donnée d'un point de vue physique et mécanique ; la biocompatibilité, à la capacité du dispositif à continuer à remplir cette fonction donnée pendant toute la durée de vie de l'implant. La biocompatibilité est liée aux interactions chimiques entre les biomatériaux et les tissus avec lesquels ils entrent en contact. La biocompatibilité est donc fonction non seulement des caractéristiques et propriétés du matériau (stabilité chimique, rugosité, charge de surface, nature des produits de dégradation, etc.) et des dispositifs implantés (taille, forme, flexibilité, etc.), mais aussi des conditions de l'organisme hôte (type de tissu, site d'implantation, âge, sexe, état de santé général). L'utilisation de matériaux inertes, c'est-à-dire de matériaux qui ne provoquent ou ne stimulent en principe pas de réactions de rejet ou de reconnaissance par l'organisme hôte, ne donne pas toujours des résultats satisfaisants. L'accent a donc été mis sur l'application de matériaux bioactifs capables de réagir positivement avec le milieu physiologique environnant. Nombre de ces matériaux sont utilisés à des fins structurelles, par exemple dans les prothèses osseuses ou dans le remplacement partiel ou total d'une articulation, mais il existe également des matériaux fonctionnels, tels que la réponse aux stimuli électriques pour les dispositifs médicaux implantables qui restaurent ou remplacent les fonctions typiques du système nerveux, ou pour les dispositifs électroacoustiques qui s'interfacent avec le système nerveux pour corriger la fonction auditive. Enfin, la régénération guidée des tissus, un phénomène très complexe impliquant le contrôle de nombreux processus métaboliques, est très importante.

Les biomatériaux sont de différents types, des matériaux céramiques (implants osseux, revêtements de prothèses, bioglass) aux métaux et alliages (prothèses de hanche), en passant par les matériaux polymères. Ces derniers sont remarquables pour leurs fonctionnalités spécifiques telles que les membranes pour l'administration de médicaments, les revêtements pour les capteurs et les dispositifs électroniques implantables, la régénération tissulaire, le remplissage de cavités, les valves cardiaques, les prothèses vasculaires, les organes bioartificiels (dispositifs médicaux combinant des matériaux synthétiques et des cellules ou tissus vivants).