Projet ERC sur la fracture des matériaux mous

Contexte

Soft materials find widespread applications in engineering and life sciences due to a combination of attractive properties. Elastomers used in engineering are ideal when large deformations are needed without damage such as tyres, seals, vibration dampers or soft adhesives. In the life sciences the most common soft materials are hydrogels, which can mimic living tissues and be used in vivo in addition to many biomedical applications such as controlled drug release. As societal demand for better performance with lighter weight uptake in engineering, and new biomedical applications develop, it is desirable to have a high level of mechanical strength and fully reversible deformation without permanent damage, while maintaining the other functional properties such as biocompatibility, swelling and deswelling capability for drug release, chemical or UV resistance.

As recently reviewed by Creton and Ciccotti, these attractive properties of reversible deformability of many soft materials are due to their structure, based on a chemically or physically connected network of flexible and mobile polymeric chains that change entropy upon deformation, creating weak and long range restoring forces. However, reversible deformability is limited by the occurrence of fracture whereby a macroscopic crack propagates through the material. Fracture of soft materials, with elastic moduli in the kPa to MPa range, is still a poorly understood complex process involving localized large viscoelastic deformations, molecular damage and very heterogeneous stresses all dissipating energy during the propagation of a crack. The dissipative mechanisms are of three general types : friction between monomers (active only in elastomers), relaxation of pendant polymer chains (active in gels and elastomers) and fracture of stretched chains by bond breakage. Our project applies state of the art methods to understand how these dissipative mechanisms are active and couple in front of crack tips and how they use the molecular structure of soft materials to control fracture toughness.

Résumé du projet

Ce projet innovant vise à développer une vision la plus complète possible des mécanismes de dissipation d’énergie limitant ou empêchant la propagation d’une fissure dans un matériau très déformable.
Nous allons utiliser une combinaison de nouveaux matériaux (élastomères et hydrogels) [1,2] contenant une fraction modulable de liaisons chimiques sacrificielles et combiner des tests mécaniques sur échantillon homogène et caractérisations de pointe de fissure. Les forces agissant sur le squelette carboné des molécules polymères sera directement détecté à l’aide de molécules mechanophores[3] alors que la rupture des liaisons sera détectée avec des molécules mechanoluminescentes[1]. Ces informations moléculaires résolues spatialement seront complétées par des mesures de corrélation d’image numérique (pour les déformations)[4] et d’orientation locale et détection d’endommagement par diffusion du rayonnement (lumière et RX).
Ces dernière années, de nombreux matériaux mous, mais résistants à la rupture, ont été développés semi-empiriquement par les équipes de chimistes des matériaux. Nous allons nous focaliser ici sur les mécanismes moléculaires responsables de cette résistance accrue pour en tirer des conclusions généralement applicables au développement de nouveaux matériaux et un modèle multi-échelle.
Pour ce faire une équipe interdisciplinaire de doctorants, post-docs et permanents sera mise en place avec des compétences en chimie, physique et mécanique.

(1) Ducrot, E. ; Chen, Y. ; Bulters, M. ; Sijbesma, R. P. ; Creton, C. Science 2014, 344, 186.
(2) Zhao, X. Soft Matter 2014, 10, 672.
(3) Zhang, H. ; Chen, Y. J. ; Lin, Y. J. ; Fang, X. L. ; Xu, Y. Z. ; Ruan, Y. H. ; Weng, W. G. Macromolecules 2014, 47, 6783.
(4) Mzabi, S. ; Berghezan, D. ; Roux, S. ; Hild, F. ; Creton, C. Journal of Polymer Science : Polymer Physics 2011, 49, 1518.

Article de revue

Creton, C. and M. Ciccotti, Fracture and Adhesion of Soft Materials. Reports On Progress In Physics, 2016. 79(4) : p. 046601.