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À Delft, les matériaux s'autoréparent

Publié le

Enquête Troisième volet de notre série sur les laboratoires d'exception : aux Pays-Bas, une trentaine de chercheurs modifient les propriétés des matériaux pour accroître leur durabilité.

À Delft, les matériaux s'autoréparent
Le groupe de travail sur le béton réunit spécialistes du génie civil, biologistes et mathématiciens.
© PASCAL GUITTET
LE LABO EN CHIFFRES

Effectif une trentaine de personnes travaille sur des matériaux autoréparants au sein du Centre des matériaux. Le budget annuel 3 millions d'euros (2011). Brevets Sept ont été déposés. Ils portent sur des bétons et polymères autoréparants.

LES CLÉS DU SUCCÈS

L'implication d'industriels dès les premiers projets. La formation d'équipes pluridisciplinaires (mécanique, matériaux, modélisation, tests...) à partir des laboratoires de l'université technologique. Le subventionnement par le gouvernement néerlandais de la recherche sur les matériaux autoréparants, qui fait partie des programmes IOP (Innovative oriented research program) destinés à favoriser la coopération entre universités et industries.

Delft, ses canaux, sa faïence, Vermeer... et son université technologique, TU Delft, où travaillent près de 2 700 chercheurs. Dans une ambiance très internationale : 80 % d'entre eux sont d'origine étrangère ! C'est dans ce contexte qu'est né le Centre des matériaux, où se croisent Espagnols, Russes, Français, Ukrainiens, Indiens, Canadiens et... quelques Néerlandais.

Une équipe d'une trentaine de chercheurs qui, sous une dénomination très générale, s'est en grande partie concentrée sur un domaine innovant : les matériaux autoréparants, ou autocicatrisants ("self-healing materials", SHM). Autrement dit, des bétons, des polymères, des céramiques, des métaux qui, lorsqu'ils sont endommagés, par exemple par des fissures, sont capables de se restaurer eux-mêmes pour recouvrer leurs propriétés initiales.

Les applications potentielles sont nombreuses dans le bâtiment, les transports, l'énergie... Il s'agit ainsi d'améliorer la sécurité ou tout simplement de prolonger la durée de vie d'un équipement. "Plutôt que de nous disperser, nous avons peu à peu privilégié le domaine des matériaux autoréparants", raconte Sybrand van der Zwaag, 56 ans, professeur à la faculté d'ingénierie aéronautique et directeur du Centre des matériaux.

Quand l'équipe de Delft démarre en 2004, seulement deux laboratoires dans le monde travaillent sur ce genre de sujets, aux États-Unis et en Grande-Bretagne (voir encadrés, page 52). Le Centre des matériaux de Delft se constitue en faisant appel aux compétences des divers laboratoires de l'université (matériaux pour l'aéronautique, corrosion, génie civil, analyse numérique...).

Chaque chercheur impliqué dans un projet SHM bénéficie d'une grande liberté, mais tous se retrouvent dans une réunion mensuelle où les projets sont discutés en détail. Ce fonctionnement complexe à gérer est une chance dans un domaine mettant à contribution des spécialités qu'aucun laboratoire ne peut à lui seul aligner.

Santiago Garcia-Espallargas a fait ses études à l'université Jaume I et à l'université polytechnique de Valence (Espagne). Il occupe aujourd'hui le poste de professeur assistant à TU Delft, au département des matériaux pour l'aéronautique. Avec son collègue Arjan Mol, spécialiste des surfaces et de la corrosion, il travaille sur les revêtements autocicatrisants pour les métaux. L'objectif est de restaurer l'intégrité d'une couche anticorrosion quand elle s'est dégradée.

Parmi les stratégies étudiées en parallèle, l'introduction, dans les peintures, de microconteneurs d'argile renfermant des agents chimiques qui favorisent la reformation de la couche protectrice endommagée. Les microconteneurs permettent une libération progressive des produits actifs. L'équipe s'intéresse également aux revêtements capables d'effacer des microrayures sous l'effet de la chaleur, notamment sur des carrosseries automobiles. Ces projets réclament de multiples compétences pour réaliser et tester la qualité des revêtements restaurés.

Bactéries colmateuses de fissures

Le projet qui réunit le plus de disciplines est sans doute celui du béton autoréparant. Pour s'en convaincre, il suffit de savoir que la méthode développée à Delft repose sur des bactéries. Dans cette recherche, menée avec le groupe de BTP néerlandais BAM et le cimentier Enci (filiale locale de Heidelberg), on trouve donc, outre des spécialistes du génie civil, des biologistes, mais aussi... des mathématiciens.

Le principal problème, lorsque le béton se fissure en vieillissant, est la corrosion des armatures en acier mises en contact avec l'oxygène de l'air. Or il existe des bactéries qui, en consommant l'oxygène, fabriquent un matériau qui bouche les fissures. En les introduisant, munies de leurs nutriments, dans la pâte du béton en fabrication, les chercheurs de TU Delft ont montré que la cicatrisation des fissures avait bien lieu. Et que le dispositif pouvait rester efficace dans la durée à la condition d'inclure les bactéries dans des microbilles d'argile protectrice.

Virginie Wiktor, une chimiste de formation qui a fait sa thèse sur la "bio-détérioration" du ciment à l'École des mines de Saint-Étienne, poursuit les études sur la cicatrisation du béton avec Henk Jonkers, le microbiologiste qui avait identifié la bonne souche de bactérie. "Ils m'ont recrutée pour mon double profil en biologie et matériaux cimentaires", indique-t-elle.

Sur ce projet intervient aussi Sergey Zemskov, un mathématicien qui élabore des modèles de simulation du processus de cicatrisation. Une aide précieuse : on peut faire beaucoup plus de simulations sur ordinateur que d'expériences réelles. Le mathématicien avait auparavant travaillé sur la modélisation de la peau. "Dans les deux cas, on étudie des phénomènes de diffusion, traduits en équations différentielles... Ce n'est pas très différent", assure le chercheur d'origine russe.

Microfibres restauratrices d'asphalte

Un autre matériau essentiel pour le BTP pose des problèmes de vieillissement : le revêtement des routes, l'asphalte. Pour y remédier, une équipe de Delft a introduit des microfibres métalliques dans le mélange de bitume et de granulats déposé sur la route. En cas de détérioration, un équipement roulant de chauffage par induction restaure l'intégrité du revêtement. La solution a été testée fin 2010 sur une autoroute.

Le matériau, 25 % plus cher, permettrait de doubler la durée de vie des revêtements. Les puristes souligneront qu'il ne s'agit plus de "self healing", puisqu'il faut une action extérieure pour réparer l'asphalte. "Oui, mais c'est la méthode la plus efficace", répond Erik Schlangen, le responsable du projet. Bel exemple du pragmatisme qui prévaut à TU Delft, université technologique, et qui plus est, aux Pays-Bas, où toute recherche doit viser une application supposée rentable.

"Ici, tout fonctionne par projets, et l'ambiance est très différente de celle d'une université française. Avec des avantages et des inconvénients." C'est Ugo Lafont qui parle, venu de Montpellier, où il a fait sa thèse en chimie des matériaux, et qui travaille sur ce qui est peut-être le plus inattendu des projets du Centre des matériaux de Delft : l'autoréparation appliquée aux diodes électroluminescentes (LED). Un sujet exploratoire, lié aux perspectives énormes du marché de l'éclairage par LED. "Le principal défi est leur durée de vie. C'est un problème de vieillissement des matériaux ", précise Ugo Lafont.

Le projet, auquel participe entre autres Philips, porte sur l'adhérence entre la puce LED et son support. Le chercheur français est en quête de matériaux qui permettraient de conserver la qualité des contacts électriques et thermiques, lesquels influent directement sur la fiabilité de la diode. "Les idées tirées des autres matériaux autoréparants ne peuvent s'appliquer ici", souligne Ugo Lafont.

En s'attaquant aux diodes, le processus d'autoréparation doit en effet changer d'échelle. Dans un béton, on traite des fissures millimétriques, dans une LED, c'est la puce qui mesure un millimètre...

 

Le moteur autocicatrisant, le projet à suivre
Allonger les délais entre les réparations des moteurs d'avions, c'est l'objectif du projet associant TU Delft à la compagnie aérienne KLM. Le revêtement en céramique qui protège les composants des moteurs se dégrade lors des cycles thermiques : des fissures se forment quand le moteur se refroidit. En ajoutant dans le revêtement, projeté par plasma, des particules contenant un agent d'autoréparation, la couche-barrière est restaurée quand le moteur est à haute température. Le principe validé, un projet de quatre ans a démarré. « Il faut notamment montrer que le processus de cicatrisation peut être répété des centaines de fois », souligne Wim Sloof, responsable du projet à TU Delft.

Les équipes concurrentes

- Université de l'Illinois, aux Etats-Unis : Autonomous materials systems, dirigée par Scott White, rassemble une quinzaine de chercheurs. Cette équipe a développé des systèmes à base de capsules emplies d'agents cicatrisants pour composites et polymères. Elle étudie la réactivité chimique de polymères soumis à une contrainte mécanique et la délivrance d'agents cicatrisants via un réseau microvasculaire.
- Université de Bristol, en Angleterre : Autour de Ian Bond, des chercheurs du département d'ingénierie aéronautique développent des technologies d'autoréparation pour les matériaux composites. Ils ont, entre autres, travaillé sur la création, au sein du composite, de réseaux vasculaires qui libèrent une résine cicatrisante lorsqu'ils sont endommagés.
- Université d'Iéna, en Allemagne : Le laboratoire de chimie organique et macromoléculaire, dirigé par Ulrich Schubert, va coordonner un programme lancé par la DFG (organisme public). Objectifs : étudier les mécanismes fondamentaux de l'autoréparation dans les polymères, métaux et céramiques, et mettre au point des voies de synthèse de matériaux autoréparants.

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