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La science des matériaux : du matériau de rencontre au matériau sur mesure

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Yves Bréchet

La science des matériaux : du matériau de rencontre au matériau sur mesure

Leçon inaugurale prononcée le jeudi 17 janvier 2013

Yves Bréchet

Note de l’éditeur

La chaire annuelle d’Innovation technologique du Collège de France a été créée avec le soutien de la Fondation Bettencourt-Schueller.

Texte intégral

1Monsieur l’Administrateur,
Messieurs les Professeurs,
Chers collègues,
Monsieur et Madame Bettencourt-Meyers,
Chers amis, Mesdames, Messieurs,

2Je suis très reconnaissant de la confiance que le Collège me témoigne en me nommant à cette chaire annuelle d’Innovation technologique. Je suis conscient de l’honneur qui m’est fait, et intimidé par la charge.

3Il est intimidant d’avoir à enseigner à tous la « science en train de se faire » dans quelque discipline que ce soit. D’être à ma connaissance le premier métallurgiste invité à le faire depuis 1530 ne fait rien pour détendre l’heureux élu. De le faire devant certains de mes maîtres qui l’auraient fait mille fois mieux achève de m’inquiéter.

4La chaire Liliane Bettencourt d’Innovation technologique est un pari audacieux de rapprocher la science en train de se construire de la technologie en train de se faire.

5Quand Pierre-Louis Lions a proposé mon nom pour cette chaire, il ajoutait à cette singularité dans le paysage académique français le fait de demander à un scientifique des matériaux – dont la discipline n’existe pas en France en tant que telle – et qui plus est, des matériaux de structure, matériaux si familiers qu’on les considère habituellement comme une donnée de notre quotidien et non comme un objet de recherche, et enfin, circonstance aggravante, à un chercheur en métallurgie, discipline dont on parle quand il s’agit de repeindre en vert les hauts-fourneaux de Florange, il pensait sans doute au mot de Bourdieu qui disait, je crois, que le Collège « sacralisait les hérétiques ». Ma tâche ce soir est de vous convaincre que les matériaux de structure en général, et les alliages en particulier, sont une formidable source d’innovation technologique, et une mine de questions scientifiques profondes.

6Je suis particulièrement impressionné d’avoir à donner cette leçon inaugurale. Il est rare, sauf cas de schizophrénie avancée, de donner un cours aux rayons de sa bibliothèque. C’est pourtant cette étrange sensation que j’ai eue en regardant la liste de mes illustres confrères, soit que j’aie suivi leurs cours ou appris la physique et la chimie dans leurs livres, comme pour Philippe Nozières ou Claude Cohen-Tannoudji, ou Jean-Marie Lehn, soit que j’aie eu à les fréquenter dans les comités d’évaluation, comme Pierre-Louis Lions ou Jacques Livage, soit que j’aie une admiration profonde pour leurs travaux, notamment ceux des chercheurs de ma génération comme Marc Fontecave, Clément Sanchez, Stanislas Dehaene, Antoine Georges ou Jean-Marie Tarascon, soit enfin parce que depuis mon adolescence je me suis nourri de leurs livres dans les heures de lecture que j’ajoutais aux heures d’étude des sciences dites « dures », sans les avoir jamais rencontrés en personne, comme Jean Delumeau, Jacques Bouveresse, Paul Veyne, Jacques Gernet, Yves Bonnefoy, François Jacob, Jean-Pierre Changeux, Emmanuel Le Roy Ladurie… Je serai heureux si, à l’issue de cette leçon inaugurale, j’ai pu leur rendre, en leur parlant d’une discipline qui n’est pas la leur, un peu du plaisir que j’ai eu à profiter de leur fréquentation livresque.

Le monde des matériaux

7Un matériau est de la matière remplissant une fonction. La plus élémentaire des classifications concerne donc la fonction. Quand un objet a pour fonction de transmettre des forces (comme un longeron de voiture ou les poutres constituant les charpentes), on qualifie les matériaux utilisés de matériaux de structure. Quand la fonction de l’objet est de transmettre ou de stocker de l’information (sous forme de transport de courant, de lumière, de chaleur), on parle de matériaux fonctionnels. Pour simpliste qu’elle soit, cette classification est opérationnelle pour décrire l’évolution des matériaux : jusqu’au xxe siècle, les matériaux avaient essentiellement des fonctions structurales, et c’était la maîtrise des propriétés mécaniques, la capacité de leur donner la forme requise, qui mesurait la performance technique d’une civilisation. Une bonne partie de ce qui va suivre concerne les matériaux de structure, car l’évolution historique s’étale sur une plus grande durée.

8Les matériaux peuvent être opportunément classés en fonction de leur composition et de la nature des liaisons chimiques entre atomes. Ce n’est pas seulement une classification de physicien, c’est une classification d’ingénieur, car cette classification regroupe des matériaux aux propriétés voisines. On distingue les matériaux organiques et les matériaux inorganiques. Dans les matériaux organiques, et en particulier dans les polymères, le squelette carboné joue un rôle essentiel et les liaisons interchaînes sont relativement faibles. Les matériaux inorganiques correspondent au contraire à des liaisons interatomiques fortes. Suivant le rôle des électrons dans ces liaisons, on distingue les métaux dans lesquels les électrons se meuvent sans difficulté, et les céramiques dans lesquelles les électrons restent « attachés » aux atomes. Métaux, polymères et minéraux ont des propriétés d’usage assez différentes, comme conséquence de la nature diverse des liaisons entre atomes. Les métaux sont malléables, leurs propriétés sont très dépendantes de la température d’utilisation et des traitements thermomécaniques qu’ils ont subis ; ils conduisent bien la chaleur, l’électricité, et sont assez vulnérables à la corrosion. Les céramiques sont beaucoup plus rigides que les métaux et gardent leurs propriétés à haute température, mais elles sont fragiles, peu tolérantes au dommage, difficiles à déformer, et sont mises en forme par des procédés proches de la poterie, qui passent par des suspensions de particules suivies d’une consolidation. Les polymères sont beaucoup plus légers que les métaux et les céramiques, beaucoup moins rigides, leurs propriétés chutent très rapidement avec une température croissante, et ils sont très faciles à mettre en forme. Métaux, céramiques et polymères sont donc les grandes familles de base des matériaux. Le mélange de ces matériaux conduit à une nouvelle classe que sont les composites. Les matériaux organiques naturels sont des composites particulièrement bien adaptés à leurs fonctions, nous reviendrons sur ce point ultérieurement. Du point de vue de leur utilisation, la provenance des matériaux est aussi importante que leurs propriétés. Les métaux et les céramiques existent dans la nature sous de multiples formes. Les polymères existent dans les matières naturelles organiques, mais la plupart du temps sous une forme composite – le caoutchouc naturel étant l’exception. Les polymères « artificiels » ne sont apparus que très tard dans le paysage, avec le développement de l’industrie pétrolière.

Les évolutions historiques

9Examinons maintenant les évolutions historiques. Pour des raisons liées à nos connaissances limitées, le tableau que nous allons brosser est une vision fondamentalement occidentale de l’histoire, et sera essentiellement focalisé sur les matériaux de structure. Les historiens ont coutume de donner aux différents âges de l’humanité le nom des matériaux qui les ont dominés : l’âge de pierre, du cuivre, du bronze, du fer… On peut voir dans le xixe siècle l’âge de l’acier, dans le xxe celui des polymères et ensuite du silicium. Cette habitude est révélatrice : les étapes successives de nos civilisations matérielles sont rendues possibles par le développement des matériaux et des ressources énergétiques.

10Les matériaux utilisés par l’être humain ont évolué continûment, mais avec une rapidité extrêmement variable au cours de l’histoire, et une accélération considérable dans les dernières décennies. Aux temps préhistoriques, environ en 50 000 av. J.-C., les seuls matériaux utilisés par nos ancêtres étaient les matériaux naturels, qu’ils soient minéraux ou organiques. Le choix des matériaux était essentiellement limité par sa proximité. Un peu plus tard, disons autour de 50 av. J.-C., la variété des matériaux disponibles avait considérablement augmenté, les Romains avaient une excellente connaissance des céramiques, du verre, utilisaient la pierre mais aussi le mortier, et le travail des métaux – argent, or, étain, plomb, bronze et fer martelé – témoignait d’une bonne connaissance empirique de la métallurgie, moindre toutefois que celle rencontrée beaucoup plus tôt dans les civilisations extrême-orientales. Entre l’Empire romain et la fin du Moyen Âge, le monde des matériaux évolue relativement peu. Les ingénieurs du Moyen Âge ont appris à utiliser les matériaux de génie civil, comme le montrent les puissantes architectures religieuses, mais ils le font avec les matériaux du cru : le calcaire à Reims, la pierre volcanique à Clermont-Ferrand et le bois en Norvège. Le xixe siècle est sans aucun doute le siècle des métaux, en particulier des matériaux ferreux. Fontes et aciers permettent la construction de ponts, de navires, de trains, puis des voitures. La révolution industrielle est autant celle de l’acier que celle de la machine à vapeur. Alors que les métaux et les céramiques régnaient en maîtres, le xxe siècle voit survenir deux révolutions. La première est provoquée par l’apparition des polymères artificiels fabriqués à partir du pétrole, avec la fascinante variabilité de leurs propriétés et la capacité de « construire » la matière au niveau atomique, en jouant sur l’arrangement des chaînes. La seconde révolution survient avec l’apparition en force des matériaux fonctionnels, en beaucoup moins grande quantité, mais présentant de très fortes valeurs ajoutées. Alors que la révolution de l’énergie électrique avait été rendue possible grâce à des matériaux déjà existants, la révolution de la micro-électronique a nécessité la fabrication de silicium très pur. Quant à la révolution de la fibre optique, elle n’aurait pas pu avoir lieu sans la capacité de disposer de verres de très haute pureté avec un gradient d’indice.

L’innovation technologique : du matériau de rencontre au matériau sur mesure

11L’évolution historique que nous venons d’esquisser traduit une évolution non seulement dans les matériaux disponibles, mais aussi dans la relation de l’homme aux matériaux, passant successivement du « matériau de rencontre » au « matériau optimisé », puis à la « compétition entre matériaux optimisés », et enfin à la « construction du matériau sur mesure ». Cette évolution traduit aussi le passage d’un savoir-faire à une science, puis à un ensemble de sciences, les sciences de l’ingénieur.

12C’est bien d’innovation technologique qu’il s’agit. Aujourd’hui, nous sommes confrontés à ce qu’on a pu appeler « l’hyperchoix des matériaux ». Le nombre de matériaux disponibles pour l’ingénieur est d’environ 100 000. Les procédés pour les mettre en œuvre sont très variés. On découvre tous les jours de nouveaux matériaux, mais seul un nombre limité d’entre eux quitte le laboratoire : on utilise rarement un matériau pour une seule de ses propriétés, mais pour une combinaison d’entre elles, et pour ses possibilités de mise en œuvre. Et malgré la variété des matériaux disponibles, dans chaque domaine applicatif, un nombre limité de familles sont dominantes : dans le bâtiment, les verres, les aciers et les bétons ; dans l’automobile, les aciers, les alliages d’aluminium et les composites polymères ; dans la micro-électronique, le semi-conducteur largement dominant reste le silicium. Mais l’innovation est ici bien autre chose que l’allongement d’un catalogue d’options. Les trois piliers de la science des matériaux moderne, l’optimisation des matériaux, l’optimisation du choix entre matériaux, et enfin la conception de matériaux sur mesure, constituent une évolution profonde dans l’usage que nous faisons de la matière.

13L’optimisation des matériaux, comme résultant d’une démarche scientifique, est relativement récente. Elle est née avec la métallurgie moderne dont les concepts fondateurs, les dislocations, la théorie des transformations de phase, datent des années 1930-1950. Quelques idées fondamentales doivent être retenues : quelle que soit l’importance de la liaison chimique, elle ne dit pas toute l’histoire et la microstructure ; l’arrangement des phases qui résulte de l’histoire vécue par le matériau est une composante essentielle dans la compréhension de son comportement. Les propriétés macroscopiques dépendent au moins autant des écarts à la périodicité du cristal parfait, et les défauts jouent un rôle essentiel dans ce comportement. Ces notions qui ont émergé de la métallurgie ont ensuite diffusé dans l’étude des autres classes de matériaux, et progressivement la nécessité d’avoir une approche comparatiste a conduit à développer la science des matériaux, fille de la physique, de la chimie et de la mécanique, mais réductible à aucune d’entre elles ; point de rencontre entre les disciplines fondamentales et les sciences de l’ingénieur, la mécanique des structures, le génie des procédés, la conception.

14C’est cette situation qui est ici le lieu de l’innovation technologique. La force motrice de l’innovation est l’évolution des exigences applicatives qui conduisent à demander aux matériaux de remplir conjointement des fonctions de plus en plus complexes, ce qu’on appelle la « multifonctionnalité ». Les stratégies de l’innovation qui ont mené au développement de matériaux à hautes performances impliquent de plus en plus la modélisation et la simulation numérique. Et enfin, la demande ultime de développer des matériaux sur mesure conduit à considérer des associations de matériaux et de géométries que l’observation des solutions naturelles peut inspirer. C’est l’ensemble de ce panorama qui sera l’objet de ce cours.

Les stratégies de développement des matériaux à hautes performances

15Le développement scientifique de matériaux à hautes performances a commencé avec la métallurgie physique. Certes, Benvenuto Cellini « savait » qu’en jetant son argenterie dans la fournaise où il tentait de couler son Persée, il améliorait la coulabilité des bronzes, et les facteurs d’orgue « savaient » que l’ajout d’antimoine dans l’alliage étain-plomb des 32 pieds évitait qu’ils ne fluent sous leur propre poids. Mais la cause microstructurale de ces phénomènes ne fut découverte que bien plus tard. Les techniques expérimentales de caractérisation fine ainsi que les outils de modélisation et de simulation ont permis de comprendre et de maîtriser les mécanismes élémentaires. Cette connaissance fondamentale constitue en quelque sorte un ensemble de « briques élémentaires » pour construire des outils intégrés d’optimisation de la mise en œuvre des matériaux. C’est par une approche conjointe de l’expérimentation et de la modélisation qu’on développe aujourd’hui des alliages à hautes performances, sachant que la performance doit s’entendre à la fois comme une combinaison de propriétés intéressantes et comme une capacité de mise en œuvre opératoire (assemblage, traitements de surfaces, etc.). Mais un matériau « performant » doit aussi garder dans le temps sa performance. Il doit pouvoir résister aux agressions de la chimie, de la température, qui conduisent à une ruine d’autant plus sournoise qu’elle est différée. Cette durabilité des matériaux est un aspect essentiel de leur performance, mal compris car résultant souvent de phénomènes couplés (comme la corrosion sous contrainte). Cette résistance aux agressions est exacerbée dans les cas de « conditions extrêmes » qui résultent d’exigences de performance des systèmes au-delà des capacités des matériaux. La réponse à ces exigences peut passer par des solutions de conception, comme le développement de circuits de refroidissement et de barrières thermiques pour les aubes de turbine de moteurs aéronautiques. Mais la compréhension du comportement des matériaux dans ces conditions extrêmes est parfois un passage obligé pour assurer un fonctionnement convenable, dans la durée, des dispositifs industriels. Le domaine des matériaux du nucléaire est un cas de condition extrême particulièrement exigeant puisque l’irradiation s’attaque aux trois piliers du comportement des matériaux : la chimie (par suite des transmutations), l’ordre cristallin (par suite des défauts d’irradiation) et le transport des espèces. Les développements espérés pour la maîtrise de la fusion contrôlée ne relèvent pas seulement du difficile problème de la stabilité des plasmas chauds confinés, mais aussi, et de façon limitante, du développement de matériaux susceptibles de résister à des irradiations par des neutrons de 13 MeV, à des températures de plusieurs centaines de degrés qui ne sont possibles que si l’extraction de chaleur peut se faire efficacement.

16On voit bien que le développement de matériaux à hautes performances pour des cahiers des charges de plus en plus exigeants implique non seulement de développer des microstructures appropriées, de s’assurer de leur stabilité dans le temps, de leur robustesse vis-à-vis des procédés de mise en œuvre, mais aussi de la possibilité de répondre au cahier des charges par une stratégie « système » dont les traitements de surface sont un exemple. Le cas hyperbolique de conditions extrêmes, le développement de solutions technologiques pour la fusion contrôlée, relèvera certainement de cette approche conjointe matériau/système. Il n’est pas certain qu’on puisse y parvenir, mais il est évident que le matériau seul ne peut être une solution pour les dispositifs devant extraire la chaleur, confiner le champ et résister à l’irradiation. Ce que nous décrivons pour un cas exceptionnellement exigeant est vrai aussi dans des domaines plus courants comme la conception des matériaux pour la carrosserie automobile ou la canette de boisson pétillante : le temps de développement de matériaux indépendamment des conditions de mise en œuvre est décidément révolu, et de plus en plus, l’innovation technologique exige un rapprochement entre la science des matériaux et les sciences du design.

Le choix des matériaux

17Ce lien nécessaire entre la science des matériaux et la conception industrielle est tout naturellement apparu avec l’hyperchoix des matériaux et la nécessité de développer des algorithmes de choix rationnel des matériaux et des procédés. Car cet hyperchoix induit aussi une compétition féroce : il suffit d’avoir à l’esprit la compétition entre les aciers, les alliages d’aluminium et les composites à matrice polymère pour la carrosserie automobile, entre les composites carbone-époxy et les alliages d’aluminium à hautes performances pour la voilure des avions, ou plus prosaïquement, la variété des matériaux utilisés dans le conditionnement des boissons (verre, carton, acier, aluminium, plastiques). La compétition entre les matériaux et la variété des solutions possibles nécessitait des outils de comparaison objectifs, simples et efficaces permettant de réagir rapidement à l’évolution des cahiers des charges liée aux conditions techniques, économiques ou législatives. Cette problématique a été initiée dans les années 1990 à Cambridge par M. Ashby. Elle nécessitait à la base un état d’esprit « comparatiste ». Il a fallu tout d’abord développer des outils pour mesurer l’adéquation d’un matériau avec les éléments d’un cahier des charges, les « indices de performance ». Ensuite, il a fallu développer l’équivalent pour le choix des procédés avec un outil simple d’estimation des coûts. Les problèmes associés au couplage entre les matériaux, les formes et les procédés, ont nécessité le développement de stratégies inspirées des systèmes experts. Les questions de choix multicritères, multi-astreintes ou multi-objectifs, ont fait appel à toutes les techniques d’analyse de la valeur, au concept de front de Pareto, et parfois, à des techniques d’intelligence artificielle comme la logique floue (fuzzy logic). Les dix dernières années ont vu émerger des méthodes de choix qui sont actuellement en usage dans de multiples secteurs industriels. Le caractère opérationnel de ces méthodes est lié à leur mise en œuvre sous forme de logiciels, avec des bases de données « matériaux » ou « procédés » structurées et hiérarchisées en familles et sous-familles. Les outils développés dans le domaine public ne sont que la partie émergée de l’iceberg : toutes les grandes entreprises à forte compétence technologique dans les matériaux, qu’ils les produisent ou les utilisent, ont leurs outils propres, qui sont aussi bien un outil d’archivage de l’expertise, une méthode de formation des ingénieurs et un guide de veille technologique concurrentielle. Mais le cœur de l’enseignement qui émerge de ce travail est que la comparaison entre matériaux doit être effectuée le plus tôt possible dans la procédure de conception. Jamais on ne concevra une roue en aluminium moulé comme on conçoit une roue en acier roulé soudé, et on ne peut bénéficier des avantages des matériaux composites dans le vélo que si l’on oublie le sacro-saint cadre en structure diamant très adapté aux structures tubulaires métalliques. La procédure systématique de choix des matériaux, aidée par les logiciels faisant usage de bases de données structurées, nécessite une analyse fonctionnelle poussée du composant concerné. Et enfin elle doit être, par sa nature même, itérative et hiérarchisée.

18Les problèmes liés au respect de l’environnement se sont invités dans les questions de conception avec toute la subtilité qu’on connaît aux effets de mode : au premier rang ! L’écoconception doit être traitée avec méthode et rigueur. Même en se limitant aux simples questions de l’impact énergétique et de l’impact sur les émissions de dioxyde de carbone, il est impératif de bien comprendre que l’écobilan doit porter sur l’objet industriel et non sur le matériau, et que les bilans énergétiques ou chimiques doivent très clairement distinguer les phases de fabrication et les phases de fonctionnement de l’objet. C’est le passage obligé pour avoir une approche rationnelle de l’écoconception. Un cas particulièrement riche de telles problématiques est celui de la maîtrise thermique du bâtiment, qu’il s’agisse du développement d’isolants à hautes performances, ou de la mise en œuvre de dispositifs contribuant à lisser le pic de consommation électrique en début de soirée. Ces deux questions sont, fondamentalement, des défis pour la science des matériaux. Mais à l’autre extrême de la dualité matière/énergie se situe la question de la réutilisation des matériaux, du recyclage. Là encore il importe d’avoir une vision globale : on n’a efficacement recyclé les aciers de l’automobile que lorsqu’on a intégré les circuits électriques de façon à retirer facilement les fils de cuivre qui causaient des défauts de laminage dans les aciers recyclés ; et la tension sur les terres rares, qui inquiète beaucoup la presse, trouverait peut-être en partie sa solution dans l’utilisation de la « mine urbaine » que constituent les aimants déjà en place dans nos moteurs électriques.

Des matériaux architecturés aux matériaux bio-inspirés

19Les cahiers des charges de plus en plus exigeants conduisent à des requêtes qui sont physiquement contradictoires pour les matériaux : avoir une haute limite d’élasticité et une forte déformabilité, avoir une forte conductivité thermique associée à une grande inertie, présenter un très bon comportement à très haute température et une grande tolérance au dommage et à la propagation de fissures préexistantes. Ces contradictions intrinsèques peuvent être évitées grâce à une stratégie connue sous le nom de matériaux architecturés. Ces matériaux consistent en une association d’un ou de plusieurs matériaux, dont la géométrie contrôlée permet de distribuer la matière et les propriétés sur des échelles de longueur comparables aux dimensions du composant (figure 1). Si le nom de matériaux architecturés et la démarche consistant à développer cette stratégie de contournement des contradictions sont innovants, les exemples de telles solutions sont nombreux : les câbles associent rigidité axiale et flexibilité ; les structures sandwiches associent légèreté et rigidité flexurale ; les multicouches polymères métal utilisés comme emballage des isolants sous vide associent tenue à la perforation, étanchéité et faible conductivité thermique ; les matériaux autobloquants réalisés en céramiques associent tolérance au dommage et tenue à chaud. Les stratégies décrites ci-dessus s’appuient sur la maîtrise des géométries, mais on peut aussi jouer sur les gradients de microstructures, comme les traitements de surface, les gradients de composition.

Figure 1

Figure 1

Les matériaux architecturés.

20Ces deux grandes classes de matériaux architecturés ouvrent considérablement la gamme de matériaux disponibles, associant des degrés d’optimisation discrets (le choix des matériaux) à des variables géométriques continues (par exemple les angles de torsion des câbles, les dimensions de la peau et du cœur des sandwiches). Cette nouvelle richesse ne peut être exploitée par une démarche « essai-erreur » : les relations entre les variables constitutives des matériaux architecturés et leurs propriétés doivent être explicitées par une modélisation (analytique ou numérique) et cet outil de modélisation est alors utilisable comme outil de conception de matériaux optimisés pour un cahier des charges complexes. Les câbles, les structures sandwiches sont des exemples assez triviaux, mais on peut aussi concevoir des matériaux sur mesure pour des applications plus « ciblées ». Par exemple le développement de matériaux absorbants acoustiques pour les moteurs d’avion demande non seulement une porosité ouverte – afin que l’onde de pression puisse pénétrer et être dissipée – mais aussi une bonne tenue mécanique – faute de quoi il faudrait associer le matériau à des structures causant un excédent de poids. Une solution possible est de développer une famille de matériaux à doubles porosités formés de l’empilement aléatoire de sphères creuses brasées. La géométrie des canaux entre les sphères contrôle le cisaillement du fluide, et donc l’absorption acoustique. La nature du matériau constitutif, l’épaisseur des coques et des cols de brasage contrôlent les propriétés mécaniques de l’empilement. La tenue à l’agression chimique est obtenue par un traitement de surface. On voit ainsi se développer un matériau littéralement « sur mesure » capable d’assurer l’absorption acoustique d’un spectre de bruit donné.

21Cette nouvelle stratégie des matériaux architecturés, qui permettrait de développer des matériaux innovants, sur mesure, pour des cahiers des charges de plus en plus exigeants, conduit à porter un regard nouveau sur les matériaux naturels, ceux-là même qui étaient accessibles à nos ancêtres aux époques préhistoriques. Mais ce regard n’est pas celui de la nostalgie ou de l’admiration béate des réalisations de « mère nature », c’est un regard d’ingénieur qui, face aux contradictions qui le tracassent, analyse les solutions trouvées dans le domaine du vivant : être solide et tolérant au dommage, disposer de structures qui se raidissent au fur et à mesure qu’on les sollicite. De longue date, on sait que les coquillages sont à la fois durs et tenaces, et que les tendons ont une rigidité évolutive, que nos dents résistent relativement bien à l’usure et au choc thermique. Mais l’analyse du pourquoi de l’efficacité des matériaux naturels est elle-même récente. De par les limitations qui lui sont imposées, le vivant n’utilise qu’un nombre limité de « briques élémentaires », celles qui passent par les polymères ou les solutions ioniques, qui ne nécessitent pas de procédés à haute température, celles qui par nature relèvent de la chimie douce chère à Jacques Livage et Clément Sanchez. À l’opposé, l’ingénieur a accès à toute la table de Mendeleïev, qu’il s’offre parfois le luxe d’étendre. Mais la nature pallie ce nombre limité de « briques élémentaires » par une richesse quasi infinie dans la manière de les organiser. La dentine et l’émail sont formés des mêmes constituants organiques et inorganiques, dans des proportions différentes qui permettent à la fois de résister à l’usure et d’émousser les fissures avant qu’elles ne deviennent critiques. L’os cortical et l’os trabéculaire, formés tous deux de collagène et d’hydroxyapatite, diffèrent par l’organisation de la structure poreuse dans ces deux matériaux. Et le bois, formé d’une structure cellulaire de lignite et de cellulose, développe, au sein du même arbre, des combinaisons différentes de souplesse et de solidité en fonction de l’enroulement filamentaire de la cellulose. On voit tout naturellement naître l’inspiration biomimétique des matériaux architecturés : associer la variété des matériaux à celle des architectures pour amplifier les possibilités de développement de matériaux sur mesure (fig. 2). Non pas en imitant servilement la nature – il y a fort à parier que le meilleur matériau pour faire un arbre demeure le bois – mais en s’inspirant des principes – réduction de taille des phases fragiles, architectures hiérarchiques, processus auto-guérissants, etc. – pour produire des matériaux adaptés aux nouvelles exigences.

Figure 2

Figure 2

Parallèle entre les matériaux de la nature et les matériaux de l’ingénieur.

22Se pose alors dans toute son acuité la question des procédés d’élaboration : alors que la chimie douce les construit avec une grande élégance au moyen de procédés bottom-up, nous nous proposons de les produire vite, en grande quantité et à moindre coût, comme il se doit pour des matériaux de structure, par des procédés top-down.

La science à faire

23Dans cette perspective des stratégies d’innovation des matériaux, nous avons volontairement adopté un parti pris « science de l’ingénieur », ou de façon schématique « comprendre pour faire ». Loin de nous l’idée que la science nécessaire pour développer ces stratégies innovantes soit achevée. De très nombreuses questions fondamentales restent ouvertes, et de façon caractéristique de la science des matériaux, elles mobilisent des concepts et des compétences issus d’autres disciplines fondamentales. La maîtrise des microstructures nécessite une compréhension quantitative des couplages en thermodynamique et en cinétique, en particulier au niveau des interfaces. Elle requiert une compréhension de la morphogenèse qui est loin d’être acquise. La durabilité des matériaux, pour importante qu’elle soit, et en particulier dans les conditions extrêmes, n’est que très imparfaitement comprise, en particulier quand les sollicitations externes interviennent de façon couplée comme dans la corrosion sous contrainte. Le développement de matériaux architecturés par une stratégie d’élaboration top-down ne pourra devenir systématique et fiable qu’en passant par une compréhension approfondie de la physicochimie des interfaces métal/oxyde/polymères. Et surtout, le retour de la géométrie dans la conception de matériaux à architectures internes pose de nombreuses questions non résolues à ce jour, depuis la mécanique des matériaux enchevêtrés jusqu’à la question ardue de la mécanique des milieux continus nécessaire pour des matériaux comprenant des échelles intermédiaires. Enfin, si l’objectif est de développer des matériaux répondant de façon optimale à des cahiers des charges contradictoires, il faudra bien diffuser, depuis les mathématiques appliquées vers la science des matériaux, des méthodes d’optimisation dans des espaces semi-continus, associant le choix des matériaux, l’optimisation des formes, et la modélisation multi-échelles.

Figure 3

Figure 3

Les stratégies d’innovation des matériaux de structure et l’évolution depuis les matériaux de rencontre jusqu’aux matériaux sur mesure.

24Pour conclure, je propose une vue d’ensemble des cours sur l’innovation technologique que je donnerai cette année au Collège de France dans le domaine des matériaux de structure – ou du moins répondant en partie à une fonction structurale (fig. 3). Chaque cours sera associé à un séminaire qui explorera des pistes d’application des idées développées dans le cours, afin de donner une idée à tous de la variété des domaines industriels concernés par cette réflexion de fond sur l’innovation dans le domaine des matériaux. C’est cet ensemble qui servira de base au colloque terminal de cette chaire, dont le sujet est aussi simple à énoncer que difficile à circonscrire : « Comment remplir les trous dans l’espace des matériaux ?».

Bibliographie

 

Sur la sélection des matériaux

Ashby M., Bréchet Y. et Salvo L., Sélection des matériaux et des procédés de mise en œuvre, Presses polytechniques et universitaires romandes, coll. « Traité des matériaux », 2001.

Ashby M. F., Materials Selection in Mechanical Design, Butterworth-Heinemann, Oxford, 4e éd., 2011.

Sur les matériaux architecturés

Ashby M. F. et Bréchet Y., « Designing hybrid materials », Acta Materialia, 2003, no 51, p. 5801-5821, doi : 10.1016/S1359-6454(03)00441-5.

Bouaziz O., Bréchet Y. et Embury J. D., « Heterogeneous and Architectured Materials : A Possible Strategy for Design of Structural Materials », Advanced Engineering Materials, 2008, vol. 10, no 1-2, p. 24-36, doi : 10.1002/adem.200700289.

Bréchet Y., Embury D. et Onck P., Architectured Multifunctional Materials, actes de colloque, Materials Research Society, San Francisco, 2009.

Bréchet Y. et Embury D. (dir.), Scripta Materialia, 2013, vol. 68, no 1, Architectured Materials (viewpoint no 52), p. 1-94.

Sur le biomimétisme structural

Fratzl P. et Weinkamer R., « Nature’s hierarchical materials », Progress in Materials Science, 2007, vol. 52, no 8, p. 1263-1334, doi : 10.1016/j.pmatsci.2007.06.001.

Fratzl P., « Biomimetic materials research : what can we really learn from nature’s structural materials ? », Journal of the Royal Society Interface, 2007, vol. 4, no 15, p. 637-642, doi : 10.1098/rsif.2007.0218.

Dunlop J. W.C. et Fratzl P., « Biological Composites », Annual Review of Material Research, 2010, vol. 40, p. 1-24, doi : 10.1146/annurev-matsci-070909-104421.

Fratzl P., Bréchet Y., Dunlop J. et Weinkammer R., « All but diamonds – Biological materials are not forever », Acta Materiala, 2013, vol. 61, no 3, (The Diamond Jubilee Issue), p. 880-889, doi : 10.1016/j.actamat.2012.10.035.

Table des illustrations

Titre Figure 1
Légende Les matériaux architecturés.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/2287/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 248k
Titre Figure 2
Légende Parallèle entre les matériaux de la nature et les matériaux de l’ingénieur.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/2287/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 88k
Titre Figure 3
Légende Les stratégies d’innovation des matériaux de structure et l’évolution depuis les matériaux de rencontre jusqu’aux matériaux sur mesure.
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