Aussi improbable que cela puisse paraître, une simple dent pourrait jouer un rôle important dans l’avenir de l’énergie propre dans le monde.
Parce que l’émail dentaire a des propriétés uniques qui le rendent à la fois rigide et résilient, il a une gamme d’applications précieuses au-delà de la morsure et de la mastication. Aucun matériau synthétique ne possède ces qualités vitales innées au même degré. La création de matériaux dotés de certaines de ces qualités pourrait avoir un impact significatif à la fois sur l’énergie propre et sur la sécurité nationale.
Imagerie de la force de morsure pour l’émail de plusieurs animaux.
« De nombreux tissus biologiques ont des propriétés intéressantes et distinctes, mais nous explorons spécifiquement l’émail en raison de sa combinaison unique de résistance et de ténacité », a déclaré Carli Marsico, stagiaire au Laboratoire national de l’Idaho et diplômée du Bureau des sciences du DOE.
L’Office of Science a décerné cette prestigieuse bourse afin que Marsico puisse soutenir l’INL dans la recherche essentielle à la sécurité nationale et à l’énergie propre, deux domaines de mission clés pour le laboratoire.
L’intérêt de Marsico pour l’exploration de méthodes pour durcir les céramiques monolithiques trouve son origine dans leur application comme gilet pare-balles pour les soldats. Avant son stage à l’INL, elle était curieuse des propriétés uniques des tissus biologiques et cherchait à comprendre leur utilité dans le secteur de la défense. Cependant, c’est loin d’être le seul résultat qui change la donne pour cette recherche.
L’équipe de recherche de l’INL s’intéresse également à la manière dont des céramiques plus résistantes pourraient réduire les coûts dans le secteur de l’énergie propre. Étant donné que ces céramiques sont idéales pour les environnements à haute température, elles sont souvent utilisées pour les revêtements de barrière environnementale ainsi que pour d’autres pièces de turbine. Actuellement, ces pièces de turbine doivent être « surdimensionnées » avec des renforts, en raison de la fragilité de la structure de la céramique.
Robuste et solide : les qualités d’une dent
Dans le domaine de la science des matériaux, la résistance décrit la rigidité d’un matériau et sa capacité à résister à la déformation. La ténacité fait référence à sa capacité à résister à des défaillances catastrophiques, telles que la fissuration ou la rupture sous pression.
« Le matériau synthétique le plus similaire à l’émail dentaire est une céramique monolithique, qui fait référence à toute céramique fabriquée à partir d’un seul matériau », a déclaré Marsico. « Ils sont fiables pour une utilisation dans des applications à haute température, ce qui les rend précieux dans les secteurs de l’automobile, de l’électricité et de l’électronique, de l’énergie et de la défense. »
Les céramiques monolithiques sont solides et résistent facilement à la déformation, mais elles sont également cassantes plutôt que dures. En cas de chute, ils se briseront facilement.
Imagerie sur la façon dont divers émaux dévient et abordent les étapes de fissuration potentielle.
À l’intérieur de la dent : tirer parti des techniques d’imagerie de pointe
Pour imiter la résistance et la ténacité de l’émail dentaire, et finalement l’appliquer à la céramique monolithique, les chercheurs doivent comprendre comment l’émail possède ces propriétés. Cette compréhension nécessite des capacités d’imagerie appropriées. Cela a été la pierre angulaire des recherches de Marsico depuis qu’elle a commencé à travailler avec la chercheuse en modélisation et simulation de l’INL, Donna Guillen.
« La structure de l’émail dentaire ne se prête pas bien aux méthodes d’imagerie tridimensionnelle actuelles que nous avons », a déclaré Marsico. « Notre proposition de recherche établit un moyen de contourner cela – essentiellement, nous prenons des images bidimensionnelles de l’émail dentaire et les transférons dans des volumes tridimensionnels. »
Pour avancer en toute confiance avec cette méthodologie proposée, Marsico et l’équipe de l’INL devaient la valider – dans ce cas, par le biais d’une expérience synchrotron. Les synchrotrons sont de grandes machines qui accélèrent les électrons à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, les faisant dévier à travers les champs magnétiques et créer une lumière extrêmement brillante. Cette lumière vive pénètre l’échantillon d’émail dentaire, le traverse complètement et, comme pour l’imagerie par rayons X, crée une image de l’intérieur de l’émail.
En 2021, l’équipe a utilisé le même procédé synchrotron pour l’expérience avec des dents d’animaux. L’examen des dents d’animaux permet à Marsico et Guillen de comprendre les rôles et les arrangements uniques de certaines des caractéristiques de l’émail qui les intéressent le plus. Ensuite, ils formeront de meilleurs modèles informatiques pour reconstruire ces caractéristiques et les appliquer aux matériaux synthétiques.
« L’émail dentaire de différents animaux est optimisé pour des fonctions spécifiques », a déclaré Marsico. « Par exemple, l’émail d’un herbivore est conçu pour un broyage lent, alors que l’émail d’un carnivore pourrait être plus propice à la morsure et à la déchirure et pourrait également être plus résistant aux chocs. »
Où allons-nous à partir d’ici? Énergie propre et applications de défense
« Une fois que nous aurons compris ce qui rend l’émail dentaire si résistant, nous pourrons, espérons-le, imiter ces propriétés lors de la conception de céramiques monolithiques. Cela permettra une fabrication plus légère et à moindre coût d’articles tels que des pièces de turbine et des gilets pare-balles, renforçant ainsi à la fois la sécurité de notre pays et l’avenir de l’énergie propre », a déclaré Marsico.
La source: Laboratoire national de l’Idaho
