Quantitative detection of damage in soft materials using mechano-fluorescence
Détection quantitative de l'endommagement moléculaire, par mécano-fluorescence, dans les matériaux mous
Résumé
Engineering applications of soft materials, such as prosthetic ligaments, are limited by crack propagation initiated by a defect. A better understanding of dissipative mechanism at the crack tip will be invaluable to guide materials chemists to design and develop better soft and tough materials.We developed a method to visualize molecular chains scission based on mechano-fluorescence: fluorescence activation upon mechanically triggered bond scission. We mapped molecular damage in 3D and at high magnification by confocal microscopy. Chemistry, mechanics and physics were associated to give our multi scale approach. With the help of a calibration curve we directly quantified and mapped chains scission inside a series of model elastomers, from brittle to tough. Results obtained from this method challenge the actual molecular picture of fracture in soft material. Indeed, we proved that chain scission in elastomers occurs over a thickness of tens of microns around the crack plane and depends on strain rate and temperature as they are coupled to viscoelasticity. Theorists in physics and mechanics can use this solid experimental foundation to construct better molecular models of fracture.
L’utilisation de matériaux mous, tel que des ligaments de synthèse, est limitée par la propagation d’une fissure initiée par un défaut. Mieux comprendre les mécanismes de dissipation d’énergie en pointe de fissure, permettra de mettre au point des matériaux mous mais beaucoup plus résistants.Nous avons développé une méthode permettant la visualisation en microscopie confocale de la rupture de liaisons chimiques grâce à une activation de fluorescence par rupture de liaison. Nous avons ainsi cartographié et quantifié l’endommagement moléculaire en 3D et à fort grossissement. Notre approche multi-échelle n’est possible que grâce à l’association de la chimie, de la mécanique et de la physique. Grâce à une calibration du signal fluorescent, c’est la première fois qu’une information quantitative est obtenue sur le nombre de liaisons cassées après la propagation de fissure. Les résultats obtenus par cette méthode remettent en cause la vision actuelle de la fracture des matériaux souples. En effet, nous avons montré que les ruptures moléculaires dans un élastomère se font sur une épaisseur de dizaines de microns et que cet endommagement moléculaire est couplé à la viscoélasticité et dépend donc de la température et de la vitesse. Ces informations sont indispensables et sont attendues par les modélisateurs pour le développement de modèles réalistes prédisant la fracture.
Domaines
Matériaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)