Contrôle des structures de mousses par des intrus élastiques: auto-assemblage élasto-capillaire de matériaux architecturés – FOAMINT

Les matériaux architecturés suscitent un intérêt croissant : le contrôle de leur structure se traduit par des caractéristiques qui diffèrent radicalement de celles du matériau constitutif, en combinant légèreté et propriétés mécaniques, acoustiques, électriques ou thermiques intéressantes. Au-delà de l’impression 3D de matériaux architecturés, les mousses polymères sont des matériaux cellulaires mécaniquement auto-assemblés, pour lesquels il serait particulièrement intéressant d’atteindre de nouveaux types de structures associées à de nouvelles propriétés : l’autoassemblage de tels systèmes permet la production de matériaux à grande échelle. Cependant, la structure des mousses est contrainte de façon stricte par la capillarité, et plus particulièrement par les lois de Plateau.

Ce projet FOAMINT a pour objectif d’obtenir de nouvelles architectures de mousses polymères par autoassemblage mécanique de bulles et d’intrus élastiques. Le contrôle de la structure du précurseur liquide permettra, après solidification, d’obtenir des matériaux cellulaires architecturés. Cette stratégie s’appuie sur une compétition entre élasticité et capillarité : les structures seront imposées non par une minimisation des énergies interfaciales seules (ce qui est le cas pour des mousses classiques obtenues par solidification d’un précurseur liquide qui a pu atteindre un état d’équilibre), mais par une minimisation des énergies interfaciales et élastiques, avec l’objectif d’allier contrôle des structures et autoassemblage. Pour une mousse donnée, la géométrie et les propriétés élastiques des intrus seront les paramètres clés. Nous nous intéresserons notamment à des systèmes modèles mousse polyuréthane-intrus élastiques qui permettent un contrôle explicite des paramètres, pour mettre en évidence les mécanismes sous-jacents et les paramètres importants. Cela a pour but d’établir une stratégie pouvant être étendue à un panel de systèmes beaucoup plus large.

La méthodologie envisagée est la suivante : l’autoassemblage de bulles et d’intrus élastiques sera réalisé grâce à des systèmes millifluidiques permettant la production des différentes briques du projet (mousses polyuréthanes et intrus élastiques), leur mélange, la visualisation in-situ de ces systèmes complexes, et leur solidification. L’évolution temporelle de ces systèmes sera quantifiée avec et sans solidification, avec et sans présence d’intrus élastiques, avec une analyse fine des temps caractéristiques (solidification, vieillissement). Enfin, nous travaillerons sur l’analyse mécanique et structurelle des échantillons mousse-intrus élastiques pour établir les relations structure-propriétés de ces nouvelles mousses solides. La caractérisation mécanique sera faite dans un premier temps dans le régime linéaire élastique, et, à plus long terme, pour des grandes déformations. Nous explorerons également l’extension de ces concepts à des systèmes biomimétiques et biomédicaux.

Au-delà de la compréhension fondamentale de tels systèmes mousses-intrus élastiques, nous anticipons que ce projet aura des applications et retombées sociétales en mettant en lumière une nouvelle voie de fabrication de matériaux architecturés légers et robustes, intéressants en termes de développement durable grâce à la minimisation de la quantité de matière nécessaire et de la densité de tels systèmes. Nous attendons également des applications dans le domaine des biomatériaux, point pour lequel une étude des opportunités sera effectuée dans le projet FOAMINT. Ce projet donnera une nouvelle dimension aux activités de recherche d’A. Hourlier-Fargette, en lui permettant de développer ses activités de façon indépendante à l’Institut Charles Sadron, en s’appuyant sur son parcours en élastocapillarité (thèse), microfluidique (postdoc) et physique des mousses (CR CNRS, ICS). Le projet bénéficiera également de collaborations à l’échelle locale, nationale et internationale.