Il existe peu de structures aussi difficiles et aussi durables dans la nature que les dents ou les coquillages. Le secret de ces matériaux réside dans leur structure fine et unique : ils sont composés de différentes couches de microplaques assemblées les unes avec les autres et toutes orientées dans la même direction.
Bien que des méthodes scientifiques existent déjà pour imiter la nacre, ce fut un réel défi pour l’équipe de chercheurs dirigés par André Studart, professeur de matériaux complexes, de créer un matériau qui imite l’ensemble du coquillage, avec des propriétés comparables et la même complexité structurelle. Et pourtant, elle a réussi à développer une technique qui imite presque parfaitement le modèle naturel.
« Ce qui est merveilleux, c’est que notre procédure repose sur une technique vieille de 100 ans combinée à la recherche sur les matériaux modernes » explique un des étudiants du professeur Studart, Tobias Niebel, co-auteur de cette étude.
Cette technique a été baptisée MASC pour « Magnetically Assisted Slip Casting » et consiste à respecter plusieurs étapes. Tout d’abord, les chercheurs ont créé un plâtre qui a servi de moule. Dans ce moule, ils ont versés des microplaques d’oxyde d’aluminium. Les pores du moule en plâtre ont absorbé lentement le liquide permettant au matériau de se solidifier et de durcir à l’extérieur.
La construction par couches, quant à elle, a été obtenue grâce à un champ magnétique dont l’orientation a été modifiée à intervalles réguliers pendant le processus de coulée. En fait, tant que le matériau reste liquide, les plaquettes de céramiques s’alignent avec le champ magnétique. Et lorsque le matériau est solidifié, les plaquettes conservent leur orientation.
Ce procédé crée des matériaux complexes qui sont des imitations presque parfaites de leurs modèles naturels, tels que la nacre ou l’émail des dents. «Notre technique est similaire à l’impression 3D, mais 10 fois plus rapide et beaucoup plus rentable», explique Florian Bouville, un étudiant de l’équipe de chercheurs.
Pour démontrer tout le potentiel de la technique MASC, le groupe de recherche de Studart a réalisé une dent artificielle avec une microstructure qui imite celle d’une dent réelle. La surface de la dent artificielle est aussi dure et structurellement complexe que l’émail de la dent réelle et l’intérieur plus mou comme la dentine naturelle.
Le co-auteur principal de l’étude, Hortense Le Ferrand et ses collègues ont commencé par la création d’un moule en plâtre d’une dent de sagesse humaine. Ils ont ensuite remplies ce moule avec un mélange de microplaques d’oxyde d’aluminium et de nanoparticules de verre faisant office de mortier. En utilisant un aimant, ils ont alignés à la perpendiculaire les microplaques à la surface de l’objet.
Une fois que la première couche était sèche, les scientifiques ont versé une deuxième suspension dans le même moule ne contentant pas de particules de verre cette fois. Les microplaques d’oxyde d’aluminium dans la deuxième couche ont été alignées horizontalement à la surface de la dent toujours à l’aide de l’aimant.
Cette structure à double couche a alors été chauffée à 1600 degrés pour densifier et durcir le matériau.
Les chercheurs sont très heureux du résultat. « La dureté obtenue à partir de la dent artificielle correspond exactement à celle d’une dent naturelle» explique le professeur Studart. Le matériau se prête donc à des applications en dentisterie.
Cependant, comme le souligne Studart, l’étude actuelle est juste un prototype qui tend à démontrer que la structure naturellement fine d’une dent peut être reproduite en laboratoire. « L’aspect du matériau doit être sensiblement amélioré avant de pouvoir être utilisé pour les prothèses dentaires. »
Une partie du processus de MASC – l’aimantation et l’orientation des plaquettes céramiques – a déjà été brevetée.
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