Programme IDÉeS – Innovation pour la défense, l’excellence et la sécurité du ministère de la Défense nationale

La fibre du futur

Les professeurs Armand Soldera et Nadi Braidy, deux des chercheurs du microréseau de chercheurs liés aux matériaux multifonctionnels avancés.
Les professeurs Armand Soldera et Nadi Braidy, deux des chercheurs du microréseau de chercheurs liés aux matériaux multifonctionnels avancés.
Photo : Michel Caron - UdeS

La fibre du futur pourrait prendre forme ici au Québec grâce à une équipe de chercheurs qui s’est donné comme objectif de créer une fibre révolutionnaire multifonctionnelle, qui pourrait éclipser le Kevlar comme matériau principal de fabrication d’équipements de protection personnelle, tels que les gilets pare-balles. L’équipe s’est donné pour mandat de produire à grande échelle cette fibre, qui aura comme principale caractéristique de s’épaissir lorsqu’on l’étire − au lieu de s’amincir − et, inversement, de se contracter quand on la compresse. On dit de cette fibre haute performance qu’elle a des propriétés auxétiques.

En ajoutant à la matrice auxétique des particules fonctionnelles, la fibre hérite de plusieurs propriétés recherchées : elle présente des capacités supérieures pour absorber l’énergie, retarde l’inflammabilité, amortit les chocs et résiste mieux à la rupture, aux impacts, à l’usure et à l’abrasion. Très légère, elle peut même contribuer à mettre à l’abri des radars grâce à l’ajout de particules magnétiques qui permettront de bloquer efficacement les interférences électromagnétiques!

Programme IDEeS du ministère de la Défense nationale

L’objectif de cette équipe est de mettre en place un procédé efficace à grande échelle de fabrication d’un matériau polymère avec des propriétés auxétiques mis au point à partir de simulations moléculaires. Ce projet de recherche d’une durée de 3 ans bénéficie d’un accord de contribution de 1,5 million $ et s’inscrit dans le cadre du programme IDÉeS – Innovation pour la défense, l’excellence et la sécurité du ministère de la Défense nationale, pour lequel le ministère a attribué un investissement de 1,6 milliard $.

Ce programme a pour objectif la mise en commun des expertises canadiennes pour participer activement à la résolution des défis en matière de défense et de sécurité. Elle vise à faire émerger des partenariats industriels et des solutions multidisciplinaires. Une des composantes du programme fédéral se nomme Réseaux d’excellence. C’est sous cette composante que le groupe de recherche québécois a été choisi et sera appelé à innover, plus principalement dans le domaine des matériaux de pointe.

Un microréseau pour éviter les silos

La mise en place d’un microréseau de chercheurs liés aux matériaux multifonctionnels avancés permet d’acquérir des connaissances et d’avoir une masse critique de chercheurs dans un domaine hyperspécialisé, qui s’enrichissent les uns les autres grâce aux complémentarités de chacun.

Le microréseau est composé de Nadi Braidy et Jocelyn Veilleux, du Département de génie chimique et génie biotechnologique de l'UdeS; de Jérôme Claverie et Armand Soldera, du Département de chimie de l'UdeS; de Denis Rodrigue, du Département de génie chimique de l'Université Laval; et de Philippe Bébin, du Centre de technologie minérale et plasturgie du Cégep de Thetford.

Cette collaboration est un beau terrain fertile pour des découvertes exceptionnelles, précise le professeur Nadi Braidy, un des deux chercheurs principaux. Les liens initiaux se sont créés grâce au Centre québécois sur les matériaux fonctionnels, point névralgique de ce secteur d’activité. Ce Centre a joué le rôle de catalyseur pour faire émerger des projets pas mal plus gros pour lesquels on savait les expertises complémentaires essentielles. On oublie le travail en silo. On se préoccupe de chacune des étapes subséquentes de mise en œuvre et de mise à l’échelle. Ça fera toute la différence.

Ces complémentarités d’expertises permettront également la ségrégation du projet dans son ensemble en de plus petits projets de recherche et développement (R et D) à chaque étape du cycle de développement de cette nouvelle fibre révolutionnaire, chaque étape de conception faisant l’objet de progrès significatifs.

Et comment créera-t-on cette fameuse fibre?

Les matériaux auxétiques doivent leur comportement si particulier à leur structure interne complexe. « Jusqu'à maintenant, l’obtention de ce type de fibre n’avait été possible qu'en restructurant des matériaux existants à l’échelle macroscopique, à l'aide de processus complexes, qui prennent du temps et qui sont coûteux, précise Nadi Braidy, également membre de l'Institut interdisciplinaire d'innovation technologique (3IT). Certains polymères exotiques répondent partiellement à ces caractéristiques auxétiques recherchées, mais rares sont ceux qui passent le test de la mise à l’échelle. »

Exemples de matériaux naturels qui présentent des propriétés auxétiques : les pis de vache, la peau des chats et les tendons humains.

Du design moléculaire!

L’idée est donc de créer des polymères auxétiques à partir de simulations moléculaires, en allant insérer un mécanisme auxétique à l’échelle moléculaire. De la modélisation à l’échelle atomique!

Grâce à une puissance accrue des ordinateurs et à une plus grande performance des algorithmes, la simulation moléculaire est devenue un outil à part entière d’un laboratoire, ajoute le professeur Armand Soldera. Il faut toutefois pouvoir passer de la molécule au matériau. L’approche inverse en matière d’auxéticité, c’est-à-dire du matériau à la molécule, s’est révélée irréalisable. Le défi que nous nous proposons de relever est de rendre le matériau auxétique grâce à des molécules auxétiques. Pour ce faire, la clef réside dans une vision non plus macroscopique de l’auxéticité, mais moléculaire. Il faut être innovant. Quelques voies ont déjà commencé à être explorées.

Pour y arriver, plusieurs étapes sont nécessaires.  Tout d’abord, il y a la simulation moléculaire de molécules présentant potentiellement la propriété désirée (A. Soldera), leur synthèse ou leur assemblage dans l’état souhaité (J. Claverie), puis l’ajout de nanostructures de carbone, pour renforcer la fibre, et de céramiques magnétiques, pour assurer un blindage contre les radiations électromagnétiques (N. Braidy et J. Veilleux). Finalement, viennent les étapes de mise en forme du polymère avec un bon choix de solvant (D. Rodrigue) et les procédés de mise en œuvre et de mise à l’échelle (Philippe Bébin).

Au-delà de la Défense nationale

En travaillant sur ce projet, 4 doctorants, 3 postdoctorants, au moins 2 étudiants collégiaux et 4 professionnels de recherche deviendront des spécialistes dans ce domaine en pleine expansion. Les chercheurs imaginent déjà de nombreuses applications possibles pour leur fibre multifonctionnelle : les secteurs médicaux, sportifs et de protection individuelle seront assurément aux premières loges!