Design and Modeling of Innovative Materials : la chaire qui invente les matériaux du futur

Une recherche d’excellence pluridisciplinaire à visée industrielle

Ces dernières années, le développement de nouveaux matériaux a été redynamisé par l’apparition de nouveaux procédés comme l’impression 3D permettant l’architecturation de matériaux à différentes échelles. Au cœur des préoccupations de l’industrie, ces développements nécessitent de regarder les matériaux polymères avec une approche pluridisciplinaire, au-delà de leur chimie, en s’intéressant aux aspects physiques, mécaniques et mathématiques pour la caractérisation expérimentale et la modélisation théorique. Pour développer des matériaux plus performants et mieux recyclables, Arkema, designer de matériaux et de solutions innovantes, l’École polytechnique et la Fondation de l’X ont créé en 2018 la chaire « Design and Modeling of Innovative Materials ».

« L’ambition de cette chaire est d’inventer les matériaux de demain avec un intérêt particulier pour l’optimisation de leur comportement mécanique. Les recherches que nous menons avec le soutien d’Arkema et en collaboration avec le Centre de mathématiques appliquées, se concentrent sur le lien entre microstructure et comportement mécanique des polymères et sur l’optimisation du comportement de structures polymères pour des applications variées telles que l’adhésion ou le comportement dynamique. Grâce à nos compétences en mécanique et en mathématiques appliquées, nous sommes en mesure de mieux comprendre, reproduire et parfois prédire par le modèle, les propriétés mécaniques des matériaux développés par les équipes d’Arkema et nous avons la chance de travailler avec elles sur des sujets très différents les uns des autres », explique Julie Diani.

Des axes de recherche aux applications multiples

Depuis son lancement, la chaire « Design and Modeling of Innovative Materials » constitue un cadre de recherche privilégié pour plusieurs doctorants et a donné lieu à des résultats très prometteurs.

En collaboration avec le Laboratoire de mécanique des solides (LMS - CNRS/École polytechnique - IP Paris) et le Centre de mathématiques appliquées (CMAP - CNRS/École polytechnique - IP Paris), Antoni Joubert consacre ses travaux à l’optimisation de la forme d’une structure polymère viscoélastique en état vibratoire avec l’objectif de limiter, ou au contraire d’accroître, l’amortissement qu’elle génère. Très concrètement, ses recherches permettront à Arkema de développer des matériaux utilisés pour fabriquer des semelles de chaussures de sport garantissant au coureur un compromis optimal en amortissement et restitution maximale de son énergie.

Doctorant au LMS, Arnaud Coq étudie quant à lui la fissuration des joints de colle pour les pales éoliennes. Les joints généralement utilisés sont non-recyclables. En recourant à l’expérimentation et à la modélisation, Arnaud cherche à valider la tenue mécanique de nouveaux joints thermoplastiques ouvrant la voie à une nouvelle génération plus résistante et plus respectueuse de l’environnement.

« Dans le cadre de la chaire, nous avons également pu recruter une ingénieure de recherche qui a travaillé sur l’analyse des relations entre la structure et les propriétés des mousses PEBAX et sur la tenue mécanique de joints mous utilisés par exemple pour les produits d’hygiène », indique Julie Diani. « Dans les mois à venir, nous prévoyons par ailleurs de développer des travaux sur les matériaux composites. Notre objectif est de comprendre comment les propriétés viscoélastiques de la matrice peuvent être modifiées par l’ajout de renforts pour mieux prédire leur comportement viscoélastique homogène équivalent des composites. Ces matériaux par nature hétérogènes nécessitent de faire appel à des techniques de modélisation à transition d’échelles pour lesquelles le LMS et le CMAP ont de fortes compétences », poursuit la chercheuse. 

Élèves, enseignants-chercheurs et industriels, acteurs de la chaire

Créée avec l’ambition de construire et de structurer des actions de recherche scientifique collaboratives, la chaire « Design and Modeling of Innovative Materials » associe les élèves et enseignants-chercheurs de l’École polytechnique à ses travaux.

Dans le cadre de leurs projets scientifiques collectifs (PSC), les élèves de deuxième année du Cycle Ingénieur polytechnicien peuvent ainsi rejoindre le LMS pour y développer des adhésifs innovants en structurant des substrats par impression 3D pour améliorer leur résistance en cisaillement.

Chaque année, Julie Diani organise par ailleurs une rencontre scientifique thématique ouverte aux chercheurs et doctorants des différents laboratoires de l’X et d’autres établissements d’enseignement supérieur, et aux industriels. Après avoir abordé les problèmes en mécanique multiphysique à l’occasion du symposium Jean Mandel puis l’impression 3D des polymères en 2020, le symposium qui s’est déroulé en novembre 2021 portait sur la thématique de l’adhésion. « L’objectif de ces rencontres est de rassembler des chercheurs et industriels issus de différentes communautés scientifiques – mécanique, physique, chimie, mathématiques appliquées – afin qu’ils puissent croiser leurs regards sur une problématique commune. Ces échanges pluridisciplinaires permettent non seulement de faire rayonner les travaux menés dans le cadre de la chaire mais aussi d’ouvrir des perspectives à tous les participants, industriels comme chercheurs », conclut Julie Diani.