L'intérieur des coquillages a la même composition qu'une craie, alors pourquoi résiste-t-il si bien ?
― Le coquillage force les fissures à faire un détour
La couche irisée à l'intérieur de la coquille d'ormeau : environ 95 % de carbonate de calcium, exactement comme la craie d'un tableau noir. Et pourtant, l'énergie nécessaire pour la briser serait plus de 1000 fois supérieure à celle du même cristal pur. Le secret ne tient pas au matériau, mais à la façon dont il est empilé.
Une craie de tableau se casse net au moindre effort du doigt. La cassure est parfaitement plane.
À l'inverse, une coquille d'ormeau ramassée sur la plage ne plie pas, même si l'on force à la main. Son intérieur scintille de reflets irisés selon l'angle où on la regarde.
Les deux sont pourtant composés presque entièrement de la même substance : le carbonate de calcium. Comment le coquillage parvient-il à rendre si résistant un matériau que l'homme casse si facilement ?
Deux raisons, pas une de plus
La nacre est formée de fines plaques d'environ 0,5 micromètre d'épaisseur, empilées en décalage sur des milliers de niveaux. La fissure ne peut pas avancer en ligne droite : elle est contrainte de zigzaguer dans les interstices entre les plaques.
Entre chaque plaque se trouve une fine couche de protéines. Sous une forte contrainte, les plaques glissent légèrement l'une sur l'autre et la colle s'étire comme un fil. La force ne se concentre pas en un seul point : elle se répartit sur une large zone.
L'homme utilise des fours dépassant 1000°C pour fabriquer des céramiques dures. Pourtant, une céramique se brise si on la laisse tomber. Le coquillage, lui, assemble un matériau encore plus résistant à la rupture, à la température de l'eau de mer. La différence ne tient ni à la température ni au matériau, mais à la conception.
Une fissure qui ne peut pas filer tout droit s'épuise
Se briser, c'est créer une nouvelle « surface de rupture ». Chaque surface créée demande de l'énergie pour rompre les liaisons entre atomes. Donc, plus le trajet de la fissure est long, plus l'énergie nécessaire pour briser le matériau est grande.
Dans un bloc homogène comme la craie, la fissure fonce tout droit par le chemin le plus court. Dans la nacre, en revanche, dès que la fissure bute sur une plaque, elle n'a d'autre choix que de longer les interstices. Regardez la figure 1 : à gauche, dans la craie, la fissure est une seule ligne droite ; à droite, dans la nacre, elle forme un escalier en zigzag.
Dans la vraie nacre, les plaques ont une forme très aplatie, avec une largeur 10 à 20 fois supérieure à leur épaisseur. Avec cette forme, le trajet de la fissure devient environ 9 fois plus long qu'une cassure rectiligne. C'est le même principe qu'un mur de briques ou de parpaings dont les joints sont décalés.
La colle s'étire et les plaques glissent peu à peu
Mais le détour seul ne multiplie l'effet que par environ 9. L'essentiel de la résistance vient de la seconde raison. Entre les plaques se trouve une couche de « colle », composée de protéines, d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. En poids, elle ne représente que quelques pour cent de la coquille entière.
Sous une forte contrainte, les plaques glissent légèrement les unes sur les autres. La colle s'étire alors comme un fil tout en maintenant les plaques ensemble. La surface des plaques présente aussi de petites aspérités qui freinent le glissement. Comme le montre la figure 2, quand une plaque glisse, les plaques voisines sont entraînées un peu à leur tour.
Dans la craie, la force se concentre à la pointe de la fissure, d'où la rupture se propage d'un seul coup. Dans la nacre, de nombreux interstices s'étirent peu à peu et se partagent la force. La pointe de la fissure se trouve ainsi, en quelque sorte, « freinée ». C'est ainsi que l'énergie nécessaire pour briser la nacre atteindrait 1000 à 3000 fois celle du même cristal pur.
L'épaisseur des plaques de nacre est proche de la longueur d'onde de la lumière visible. La lumière réfléchie par le dessus et le dessous des plaques superposées s'additionne ou s'annule selon l'angle, d'où ce changement de couleur selon le point de vue. L'éclat de la perle provient de la même couche, enroulée en sphère. Résistance et beauté naissent de la même structure.
Les os humains combinent eux aussi des grains minéraux durs et des fibres de protéines souples. Un matériau purement dur se fissure facilement ; un matériau purement souple ne garde pas sa forme. On pense que les êtres vivants combinent finement les deux pour tirer parti des avantages de chacun.
En résumé
La nacre est faite du même carbonate de calcium que la craie, mais façonné en fines plaques empilées « en briques ». La fissure est forcée de longer les interstices, et la colle qui s'y trouve s'étire pour répartir largement la force. Sans changer de matériau, la seule disposition multiplie la résistance par plusieurs ordres de grandeur.
La dureté dépend du matériau, la résistance à la rupture dépend de l'agencement.
Le coquillage est l'architecte qui impose un détour à la fissure.
Pour la coquille d'œuf qui disperse la force grâce à sa forme, lisez Pourquoi la coquille d'œuf ne se casse-t-elle pas quand on la serre dans la main ? ; pour d'autres jeux de « lumière en couche fine », lisez Pourquoi les sardines et les sabres argentés brillent-ils de couleur argentée ? ou Pourquoi l'opale, une pierre, scintille-t-elle de toutes les couleurs ?.
- Comparez l'intérieur et l'extérieur d'une coquille d'ormeau ou de turbo. Vérifiez que seul l'intérieur brille d'irisations et que la couleur change selon l'angle.
- Si vous avez un fragment de coquille cassée, observez la cassure à la loupe. Vous pourrez parfois voir de fines couches superposées, comme les cernes d'un arbre. Les bords des fragments étant coupants, portez des gants de protection pour les manipuler.
- Trempez un petit fragment dans du vinaigre : des bulles apparaissent, preuve que le carbonate de calcium se dissout en libérant du dioxyde de carbone. Après quelques jours, il peut rester une fine membrane souple : c'est ce qui subsiste de la « colle » qui reliait les plaques.
Si l'on fait la même expérience avec un morceau de craie, des bulles apparaissent aussi, mais aucune membrane ne reste. Cette différence illustre l'écart de résistance (la composition de la craie varie selon les produits ; une craie à base de gypse ne produit pas de bulles).
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau des programmes de « chimie », « physique » et « SVT » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (mécanique des matériaux, mécanique de la rupture, science des biomatériaux)
- RechercheSujet encore en cours d'étude par les chercheurs, non enseigné comme établi même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Nacre : la couche irisée à l'intérieur de la coquille. Une variété de carbonate de calcium appelée « aragonite », en fines plaques, alternant avec des couches de protéines.
- Carbonate de calcium : composant principal du calcaire, du marbre, de la craie, de la coquille d'œuf et des coquillages. Au contact d'un acide, il se dissout en libérant du dioxyde de carbone.
- Ténacité (résistance à la rupture) : grandeur qui mesure la capacité d'un matériau, en présence d'une fissure, à résister à sa propagation. C'est différent de la « dureté ».
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien le trajet de la fissure s'allonge-t-il ?
L'énergie nécessaire pour briser le matériau est proportionnelle à la surface de rupture nouvellement créée. On calcule donc de combien le trajet de la fissure s'allonge avec l'empilement en briques, et on compare avec la résistance mesurée.
| En symboles | E ＝ γ × A n ＝ 1 ＋ w ÷ （2 × t） |
| En mots | Énergie de rupture ＝ énergie par m² de surface × surface de la cassure. Facteur d'allongement du trajet ＝ 1 ＋ largeur de la plaque ÷ (2 × épaisseur de la plaque) |
| Origine de la formule | L'idée de Griffith : briser nécessite de créer une nouvelle surface. Le facteur vient de la forme de la figure 1 : à chaque niveau (épaisseur t), la fissure dévie latéralement d'une demi-plaque (w ÷ 2) |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| E | Énergie nécessaire pour briser (joules) |
| γ | Énergie nécessaire pour créer 1 m² de surface de rupture (joules par mètre carré) |
| A | Surface de rupture créée (mètres carrés) |
| n | Facteur d'allongement du trajet de la fissure par rapport à une cassure rectiligne |
| w | Largeur de la plaque (micromètres) |
| t | Épaisseur de la plaque (micromètres) |
| Épaisseur de la plaque t | Environ 0,5 μm |
| Largeur de la plaque w | Environ 5 à 10 μm (ici 8 μm) |
| Résistance mesurée (énergie de rupture) | Environ 1000 à 3000 fois celle du même cristal pur |
| Épaisseur de la nacre de la coquille d'ormeau | Ici fixée à 1 mm (1000 μm) |
| Deux fois l'épaisseur de la plaque | 2 × 0,5 ＝ 1 |
| Largeur divisée par ce nombre | 8 ÷ 1 ＝ 8 |
| Facteur d'allongement n | 1 ＋ 8 ＝ 9 |
| Part de la mesure (1000 fois, valeur basse) non expliquée par le détour | 1000 ÷ 9 ≒ 111 |
| Nombre de niveaux de plaques dans une couche de 1 mm | 1000 ÷ 0,5 ＝ 2000 |
Le détour seul ne multiplie la résistance que par environ 9. L'écart d'environ 100 fois restant avec la mesure s'expliquerait par le travail du glissement des plaques et de l'étirement de la colle (raison 2). Et dans une coquille de 1 mm d'épaisseur, ces plaques s'empilent sur environ 2000 niveaux.
LycéeLycée+Pourquoi « dur » et « résistant à la rupture » sont deux choses différentes
LycéeLe carbonate de calcium est un cristal ionique. Dans un cristal ionique, quand une contrainte décale l'agencement des ions, des charges identiques se retrouvent face à face et se repoussent, provoquant une rupture nette selon ce plan (clivage). Contrairement aux métaux, il n'existe pas d'échappatoire où les atomes glissent en changeant de forme : le matériau est dur mais cassant.
Lycée+Dans la nacre, le cristal lui-même reste cassant. Mais en le découpant en petites plaques et en intercalant une matière organique souple dans les interstices, le matériau dans son ensemble gagne une « échappatoire » : la possibilité de se déformer en glissant. Un matériau qui combine une partie dure et une partie souple est appelé matériau composite.
UniversitéDéviation de fissure et extraction des plaques
En mécanique de la rupture, la propension d'une fissure à se propager s'exprime par le facteur d'intensité des contraintes et le taux de restitution d'énergie ; la résistance du matériau est appelée ténacité. Dans la nacre, les principaux mécanismes de renforcement identifiés sont la « déviation de fissure », où la fissure est déviée aux frontières des plaques, et l'« extraction des plaques » (pull-out), où les plaques sont arrachées pendant que la couche organique s'étire. On sait aussi que la nacre présente un comportement de « courbe R (courbe de résistance) », où la résistance augmente à mesure que la fissure progresse. Le rapport optimal entre longueur et épaisseur des plaques est également discuté à partir de modèles de cisaillement (shear-lag model) : des plaques trop allongées finissent par se briser elles-mêmes.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Ténacité à la rupture (Wikipédia, en japonais) ／ Nacre (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Comment le coquillage uniformise-t-il la forme des plaques ? On pense qu'un échafaudage de protéines détermine l'orientation et l'épaisseur des cristaux, mais le détail du processus fait encore l'objet de recherches.
- Quelle part revient à chaque mécanisme ? Les estimations de la contribution relative des aspérités de surface des plaques, des ponts minéraux fins qui les relient et de l'étirement de la couche organique varient selon les méthodes de mesure.
- Peut-on l'imiter artificiellement ? Des céramiques et des verres inspirés de la nacre ont été développés, certains nettement plus résistants à la rupture que le matériau d'origine. Mais on n'a pas encore trouvé de méthode pour fabriquer, à température ambiante, de grandes quantités rapidement, comme le fait le coquillage.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». Les valeurs varient aussi selon l'espèce de coquillage et son degré d'humidité : une nacre sèche serait plus fragile qu'une nacre humide.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : acides et bases, réaction du calcaire avec l'acide chlorhydrique | Observation des bulles dans le vinaigre |
| Lycée | Chimie : propriétés des cristaux ioniques | Pourquoi c'est dur mais cassant |
| Lycée+ | Physique-chimie : matériaux composites, interférence des couches minces | Rôle de la colle, reflets irisés |
| Université | Mécanique des matériaux, mécanique de la rupture, science des biomatériaux | Déviation de fissure, extraction des plaques |
| Recherche | Biominéralisation, conception de matériaux bio-inspirés | Formation des plaques, nacre artificielle |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Joints décalés d'un mur de briques, solidité des os |
- Jackson, A. P., Vincent, J. F. V., Turner, R. M. (1988) The mechanical design of nacre. Proceedings of the Royal Society B 234: 415–440
- Currey, J. D. (1977) Mechanical properties of mother of pearl in tension. Proceedings of the Royal Society B 196: 443–463
- Barthelat, F., Tang, H., Zavattieri, P. D., Li, C.-M., Espinosa, H. D. (2007) On the mechanics of mother-of-pearl: A key feature in the material hierarchical structure. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 55: 306–337
- Wegst, U. G. K., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. (2015) Bioinspired structural materials. Nature Materials 14: 23–36
- Wikipédia « Nacre » (en japonais)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension. Les bords de coquillages cassés et des fragments dissous dans le vinaigre peuvent être coupants : faites attention à ne pas vous blesser lors de l'observation.