Matériaux adaptatifs, matériaux intelligents

atériaux adaptatifs
Les matériaux piézoélectriques génèrent une tension électrique lorsqu'ils subissent une contrainte (déformation mécanique) et inversement ils se déforment quand on leur applique une tension. Ce sont surtout des céramiques mais aussi des polymères. Ils servent à fabriquer des capteurs. Associés à une électronique de commande, les matériaux piézoélectriques permettent de contrôler les vibrations de structures pour des composants embarqués. Ils peuvent également récupérer l'énergie des vibrations pour augmenter l'autonomie des dispositifs.
Les matériaux magnétostrictifs se déforment sous l'action d'un champ magnétique. Ils ont des utilisations similaires à celles des matériaux piézoélectriques.
Les alliages à mémoire de forme, déformés à froid, retrouvent leur forme initiale au-delà d'une certaine température. Cette propriété est due à un changement de phase (c'est-à-dire de structure cristalline) réversible : l'alliage a une forme martensitique à basse température et austénitique à haute température. Ce sont en général des alliages de cuivre, zinc et aluminium, ou de titane et de nickel. Si les déformations ne dépassent pas une certaine amplitude, le processus peut être répété des millions de fois.
Ces alliages sont utilisés en chirurgie pour des stents (prothèses placées à l'intérieur d'une artère) insérés à froid et prenant leur forme définitive à la température du corps.
De nombreux polymères ont également des propriétés de mémoire de forme. Certains polymères conducteurs ou ioniques modifient leur forme par un phénomène analogue à la piézoélectricité. Ce phénomène se manifeste si le matériau est immergé dans un fluide. De tels polymères font l'objet de recherches pour obtenir des muscles artificiels. D'autres polymères se déforment lorsqu'on leur fournit de l'énergie chimique ou électrique. Les polymère nématiques se déforment en fonction de la température ou de l'éclairement.

Exemples d'utilisations
Les verres photochromiques changent de couleur en fonction de l'intensité de la lumière. Ils peuvent servir à fabriquer des vitres, des lunettes, des pare-brise automobiles qui s'obscurcissent en fonction de l'intensité du rayonnement solaire. Les textiles intelligents confèrent aux vêtements des fonctions de régulation de température ou d'humidité. Ils peuvent également intégrer des biocapteurs pour une surveillance de l'environnement ou de l'état de santé.
Dans le domaine de la construction, on peut imaginer des revêtements changeant de couleur, absorbant ou réfléchissant la lumière selon la température ambiante et même capables de fournir de l'énergie à partir de différences locales de températures (thermocouples) ou de vibrations naturelles (capteurs piézoélectriques). Une peinture changeant de couleur en fonction du pH peut donner une alerte quand le métal qu'elle recouvre s'oxyde.

Capteurs et matériaux véritablement intelligents
L'idée de matériau intelligent est apparue en construction aéronautique à propos des voilures évolutives, s'adaptant en temps réel aux conditions de vol (morphing aircraft). Le but est d'obtenir des ailes d'avion aussi performantes que les ailes d'un oiseau. Le matériau possède des parties sensibles (capteurs) et des parties actives (actionneurs). Un ordinateur analyse les données pour optimiser les modifications de forme. L'objectif est d'intégrer le plus étroitement possible les capteurs dans la structure.
Actuellement les projets sont basés soit sur des réseaux de microcapteurs et de microactuateurs, soit sur des matériaux adaptatifs, par exemple des alliages à mémoire de forme. Les ailes se déforment sous l'action de signaux thermoélectriques. Elles reprennent la forme initiale en l'absence de signal. On peut aussi utiliser des matériaux piézoélectriques qui se dilatent ou se contractent en fonction d'un courant électrique.

Le futur
Certains laboratoires travaillent sur des matériaux composites capables de s'auto-réparer. Des microcapsules et des catalyseurs sont dispersés dans le matériau. Quand une fissure apparaît, elle fait éclater les microcapsules. Le matériau de réparation contenu dans les capsules réagit avec le catalyseur pour former un produit qui colmate la fissure.
Dans un stade ultime, des nanodispositifs électromécaniques (capteurs, ordinateurs et actionneurs) de toute nature pourront être intégrés dans le matériau lui-même. Le concept le plus élaboré est le matériau polymorphique actif imaginé par J. Storrs Hall (brouillard intelligent ou utility fog). C'est une structure formée d'un réseau tridimensionnel de bras télescopiques dans laquelle chaque nœud du réseau est un nano-actionneur intelligent. Ce matériau peut remodeler ses formes et modifier ses propriétés (couleur, rigidité, …) devenant ainsi un objet différent en fonction des besoins de l'utilisateur (une chaise se transforme en fauteuil puis en canapé…).

Source : cnrs.fr