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Chronique doctorale - PC Focus 2018

Cette présentation a été donnée lors de la journée PC Focus, un séminaire interne à l’ESPCI Paris lors duquel les doctorants ont l’occasion de présenter leur projet de thèse dans une compétition qui se déroule sous un format original (fortement inspiré de « Ma thèse en 180 secondes »). L’idée est de présenter son projet de thèse à un public composé d’élèves et de chercheurs de l’ESPCI Paris en utilisant pour seul support une nappe en papier sur laquelle on dessine. Un Prezi vient ensuite zoomer sur les dessins au fur et à mesure de la présentation.

J’ai eu l’occasion de présenter mon sujet lors de l’édition 2018 et ai remporté le premier prix. Voici le texte intégral de la présentation ainsi que les illustrations correspondantes.

Bonjour à tous. Je m’appelle Ludovic, je suis doctorant au laboratoire SIMM et je vais vous expliquer pourquoi dans ma thèse je casse des élastiques… sans vraiment les casser.

Je vous présente Jean-Bobby. Jean-Bobby est fan de sports extrêmes, et il aime bien sauter à l’élastique. Un élastique, ou élastomère, c’est un polymère formé de longues molécules mobiles et reliées entre elles par de petites molécules ici en rouge appelées réticulants. Initialement, les chaînes de molécules sont repliées sur elles-mêmes et forment un réseau tridimensionnel.

Lorsque Jean-Bobby va sauter, son poids va exercer une force sur ce réseau de molécules. Les chaînes vont se déplier et se tendre dans la direction d’étirement. On dit que le matériau emmagasine de l’énergie élastique, qu’il pourra éventuellement restituer si la force est relâchée.

La quantité de réticulant est un paramètre très important et va fortement impacter les propriétés du matériau : plus les chaînes sont reliées entre elles, moins elles peuvent s’étirer, et donc plus le matériau sera rigide et moins extensible.

Maintenant, imaginons que Jean-Bobby ait un peu forcé sur la raclette. Si le poids est trop grand et que l’on tire trop sur les chaînes, on peut en venir à casser des liaisons. Casser une liaison covalente, ça coute de l’énergie élastique et ça crée une fissure dans le matériau.

Le problème, c’est que dans un élastomère tout simple, cette fissure va rapidement se propager à travers le matériau, et les chaînes vont casser les unes après les autres, et ça…

…bah ça ne plait pas beaucoup à Jean-Bobby.

Ce qu’il faudrait à Jean-Bobby, c’est un matériau qui résiste à la propagation des fissures. C’est un peu comme si vous aviez une cocotte-minute. Quand vous étirez le matériau, vous apportez de l’énergie élastique et vous augmentez la pression dans la cocotte. Quand vous cassez des chaînes, vous libérez de l’énergie et vous diminuez la pression. L’idée, c’est de trouver un moyen de libérer la pression sans que la cocotte n’explose ; c’est de casser des liaisons de façon locale sans casser tout le matériau.

Une façon de faire, c’est d’interpénétrer un réseau sacrificiel que l’on va casser pour dissiper de l’énergie avec un réseau matrice qui lui va se déformer sans rompre.

Pour le réseau sacrificiel ici en haut à gauche, on va utiliser un réseau qui est fortement réticulé pour que les chaînes soient peu extensibles. On va également utiliser des chaînes qui ont été déroulées et préétirées pour qu’on n’ait pas besoin de les déformer beaucoup pour les casser, puisque c’est ce que l’on souhaite pour dissiper l’énergie.

Pour le réseau matrice, c’est l’inverse ! On va utiliser un réseau qui est peu réticulé et qui sera donc très déformable. On va également l’introduire en beaucoup plus grande quantité que le réseau sacrificiel pour que les ruptures de chaînes n’entrainent pas la rupture de tout le matériau.

Une fois ces deux réseaux combinés, on a un double réseau, c’est-à-dire que l’on a un réseau dans un réseau.

Quand on va tirer sur ce matériau, on va casser des chaînes du réseau sacrificiel, mais le réseau matrice va permettre de maintenir le matériau en un seul morceau et on va pouvoir continuer à déformer le matériau sans le casser. Le matériau est endommagé, puisqu’on a cassé des chaines, mais Jean-Bobby reste au sec !

Maintenant, allons un peu plus loin. Comme je vous l’ai dit, deux éléments sont très importants pour le réseau sacrificiel : les chaînes doivent être préétirées, et fortement réticulées. La question principale de ma thèse est de savoir si ces deux éléments peuvent être décorrélés, c’est-à-dire de savoir si l’on peut préétirer les chaînes dans une direction donnée puis les réticuler.

Ainsi, si j’avais une « baguette magique chimique », je pourrais essayer de partir d’un réseau très extensible et dont les chaînes sont bien enroulées. Dans une première étape, je tirerais dessus pour déplier les chaines dans une direction donnée. Dans un second temps, avec ma baguette magique chimique, j’ajouterais des points de réticulation pour maintenir les chaînes étirées. Enfin, dans une troisième étape, je pourrais alors ajouter le second réseau matrice pour obtenir un double réseau.

Ainsi, si l’on tirait dans la direction préétirée, on aurait un double-réseau puisque les chaînes sont à la fois préétirées et fortement réticulées. Dans la direction transverse par contre, on s’attend à ce que les propriétés soient différentes puisque les chaînes sont à priori réticulées, mais pas préétirées.

On aurait donc un matériau anisotrope, c’est-à-dire que ses propriétés -en l’occurrence mécaniques- ne sont pas les mêmes dans toutes les directions.

Et c’est bien d’un matériau anisotrope dont Jean-Bobby a besoin, puisque lorsqu’il saute l’élastique n’est étiré que dans une seule direction, et c’est bien cette direction qui doit être rendue particulièrement résistante à la rupture.

Et voici donc pourquoi dans ma thèse, je casse des élastiques sans vraiment les casser, tout ça pour que Jean-Bobby puisse à la fois manger de la raclette et sauter à l’élastique.