Les polymères lamellaires ressemblent à un immeuble à plusieurs étages, où chaque étage est peint d'une couleur différente, et où des fissures apparaissent parfois entre les étages. Ces fissures sont des paires de dislocations : des ruptures de périodicité qui endommagent le matériau. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à contrôler ces défauts sans avoir à reconstruire tout l'immeuble. Il s'avère que de minuscules particules peuvent jouer les architectes : certaines renforcent les points faibles, d'autres, au contraire, les fragilisent.

Les chercheurs ont construit un modèle informatique dans lequel un polymère lamellaire interagit avec deux types de nanoparticules. Les particules homogènes, recouvertes d'une substance qui préfère l'une des couches, agissent comme un mastic de fissure : elles s'incorporent au défaut et réduisent l'énergie nécessaire à son existence. Les particules de Janus, dont les deux moitiés de surface sont différentes, ne peuvent pas satisfaire les deux couches simultanément dans le cœur courbé du défaut ; elles augmentent donc l'énergie de formation et rendent le défaut moins favorable.

Pour les particules homogènes de taille supérieure à l'épaisseur d'une couche, l'effet est significatif : le décalage d'énergie atteint −63.8 kBT pour les particules préférant la couche A, et −37.9 kBT pour celles préférant la couche B. Cela signifie que ces particules stabilisent activement les dislocations en remplaçant le polymère contraint dans le cœur du défaut. Les particules de Janus, en revanche, augmentent l'énergie de plusieurs kBT, surtout lorsque les deux moitiés de surface sont en proportion égale.

Le résultat clé : l'énergie de liaison d'une particule au cœur d'une dislocation est linéairement liée au décalage d'énergie de formation, avec une pente de 1.00 ± 0.01. Cela signifie qu'en connaissant la force avec laquelle une particule adhère au défaut, on peut prédire si elle le stabilisera ou le détruira. Cette loi simple permet de concevoir des matériaux avec la quantité souhaitée de défauts sans avoir à explorer de nombreux paramètres de manière coûteuse.

On savait déjà que des additifs pouvaient s'accumuler dans les zones défectueuses, mais il n'existait pas de lien quantitatif entre les propriétés des particules et l'énergie des dislocations. Ce lien est désormais établi : les particules homogènes de grande taille renforcent les défauts, tandis que les particules de Janus les affaiblissent. Cela ouvre la voie à une conception ciblée de matériaux nanostructurés où les défauts ne sont pas un défaut de fabrication, mais servent d'éléments fonctionnels, par exemple dans les cristaux photoniques ou les membranes.