Pourquoi s’intéresser aux propriétés des matériaux ?

Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Les matériaux de nos civilisations sont par exemple ceux qui nous permettent de construire des maisons et autres bâtiments qui résistent aux intempéries (parfois pendant des millénaires comme les Pyramides d’Egypte), ou bien qui s’élèvent à de très grandes hauteurs sans s’effondrer (la tour Eiffel, ou la tour de 800 mètres de hauteur en construction à Dubai).
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La matière que l’on rencontre de notre environnement naturel, est aussi bien celle de notre environnement « inerte », les roches, les dunes de sable, l’eau de la mer ou des fleuves, le pétrole, la lave des volcans, etc…, que ceux qui constituent la matière vivante qui nous entoure, végétation et animaux. Cette « matière première », en quelque sorte est mise en forme et fonctionne. On fait référence alors à une notion plus proche des applications, celle de matériaux qui sont les substances solides ou liquides qui « jouent un rôle significatif dans notre environnement ou nos civilisations … » (Yves Quéré Physique des Matériaux Ed. Ellipses 1988). L’humanité en a également créé une très grande variété pour répondre à ses besoins. La physique, la chimie et la mécanique sont associées dans ces préparations et dans la mise en forme de ces matériaux pour élaborer des structures plus ou moins complexes permettant de réaliser de façon efficace certaines fonctions en tirant au mieux parti des propriétés des constituants de base . D’une façon un peu arbitraire, nous allons retenir dans cette partie de l’ouvrage les propriétés fondamentales de la matière ne gardant pour une troisième partie celles qui sont définies par leur usage et que nous définirons en fonction de leur mise en forme. Ainsi l’élasticité d’un fil ou d’une poutre relève d’un essai mécanique, la confection d’un tissu ou celle de la Tour Eiffel pour lesquelles la connaissance de ces propriétés est nécessaire mais non suffisante serait du ressort de la dernière partie.
 
On observe également dans la nature de telles structures qui optimisent l’utilisation des matériaux . Des correspondances utiles peuvent être faites entre ces systèmes naturels et faits par l’homme (voir le remarquable ouvrage structures et matériaux,l’explication mécanique des formes chez Belin). Ainsi, le bois, les os, les dents, les coquillages, etc… sont constitués de matériaux dont les propriétés permettent de réaliser des fonctions spécifiques nécessaires à la vie des organismes dont ils font partie. Les êtres vivants réalisent une pléiade de structures mécaniques très robustes, versatiles, adaptatives. Ce rapprochement est utilisé pour produire des matériaux biomimétiques ayant les propriétés de matériaux naturels (produire de la nacre artificielle à partir de l’aragonite , une variété de carbonate de calcium et d’un peu d’agents organiques). Ces développements interviennent aussi pour réparer les êtres humains (os, dents ou muscles) . On pourra écouter avec interet la conférence donnée par P.G. de Gennes http://www.canalu.fr/canalu/chainev2/utls/programme/273_les_materiaux_biomimetiques .
 
Les matériaux de nos civilisations sont par exemple ceux qui nous permettent de construire des maisons et autres bâtiments qui résistent aux intempéries (parfois pendant des millénaires comme les Pyramides d’Egypte), ou bien qui s’élèvent à de très grandes hauteurs sans s’effondrer (la tour Eiffel, ou la tour de 800 mètres de hauteur en construction à Dubai).
 
Ce sont aussi les métaux et autres matériaux qui permettent de construire des voitures ou des avions circulant à grande vitesse, ou encore des ustensiles de cuisine qui ne rouillent pas quand on les chauffe ou quand on y met des liquides. Ce sont également les matériaux qui constituent nos aliments (le pain par exemple, dont les propriétés de « souplesse » ou de « dureté » évoluent avec le temps).
 
Les matériaux de nos civilisations ont d’abord été ceux de notre environnement, utilisés après des transformations plus ou moins élaborées : le bois pour construire des maisons et élaborer des outils ou des meubles, les plantes textiles ou la laine des animaux pour fabriquer des vêtements, la pierre et les « minerais » pour fabriquer des abris, des outils ou des armes plus solides. Certaines de ces techniques sont toujours actuelles. C’est le cas des constructions de terre dont nous parlerons dans une fiche. Par la suite, le raffinement de la transformation des matériaux naturels a été tel (purification chimique, invention d’alliages de plusieurs matériaux, invention de molécules qui n’existent pas dans la nature telles que les matières plastiques, élaborées, par exemple, à partir du charbon ou du pétrole…) que l’on peut considérer que les matériaux résultants n’ont plus de rapport direct avec ceux de notre environnement naturel.
 
Cette évolution de la maîtrise, par l’humanité, de la transformation des matériaux naturels, a conduit à la très grande diversité de matériaux actuellement disponibles, permettant de répondre à une plus grande variété de besoins. Cette maîtrise a été une des clés du « progrès » qui fait que chacun dispose d’un confort de vie plus important qu’au cours des siècles ou des millénaires précédents.
 
La prise de conscience de ce rôle des matériaux dans le « progrès technique » fait que chaque ingénieur ou chaque artisan qui veut réaliser un objet répondant à un besoin nouveau (un immeuble plus haut ou moins difficile à chauffer, une voiture plus légère moins consommatrice de carburant,…) doit se poser la question des propriétés du matériau (ou des matériaux) qu’il convient d’utiliser, d’essayer d’identifier, le cas échéant, les matériaux connus possédant ces propriétés, ou alors de tenter d’en élaborer de nouveaux.
 
La Théorie de l’Evolution des êtres vivants nous enseigne que la nature procède par une « stratégie » analogue. Toutefois la détermination du matériau le mieux adapté à la réalisation d’une fonction, se déroule sur des durées très longue, et le processus de sa sélection repose à la fois sur le hasard des mutations génétiques et sur l’adaptation de cette mutation à l’environnement de l’être vivant : formation d’une coquille ou d’une carapace autour d’un être invertébré permettant de mieux le protéger des prédateurs, solidité ou souplesse plus ou moins grande de cette coquille selon qu’elle est constituée de matière organique ou minérale, formation d’un squelette permettant la solidité et la souplesse de la structure de l’être vivant,etc…

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