Une schwarzite créée sur une imprimante 3D par des scientifiques des matériaux de l'Université Rice rend réelle une théorie mathématique formée il y a plus de 100 ans. La surface incurvée se répète dans toute la structure, qui a montré d'excellentes caractéristiques de résistance et de déformation dans les tests à Rice. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les ingénieurs de l'Université Rice utilisent des imprimantes 3D pour transformer des structures qui existaient jusqu'à présent principalement en théorie en solides, matériaux légers et durables avec des complexes, motifs répétitifs.
Les structures poreuses appelées schwarzites sont conçues avec des algorithmes informatiques, mais les chercheurs de Rice ont découvert qu'ils pouvaient envoyer des données des programmes aux imprimantes et faire de la macro-échelle, modèles de polymères à tester. Leurs échantillons s'efforcent d'utiliser le moins de matériau possible tout en offrant résistance et compressibilité.
Les résultats rapportés dans Matériaux avancés sont des œuvres d'art qui pourraient un jour conduire à des dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique, catalyseurs, tamis moléculaires et composants de batterie, et à l'échelle macro pourrait devenir très porteur, composants résistants aux chocs pour les bâtiments, voitures et avions.
Ce sera peut-être un jour possible, ils ont dit, pour imprimer un bâtiment entier comme une "brique" de schwarzite.
Schwarzite, du nom du scientifique allemand Hermann Schwarz, qui a émis l'hypothèse des structures dans les années 1880, sont des merveilles mathématiques qui ont inspiré un grand nombre de constructions et de matériaux organiques et inorganiques. La découverte à Rice du buckminsterfullerene (ou buckyball) lauréat du prix Nobel a fourni une nouvelle source d'inspiration aux scientifiques pour explorer la conception de formes 3D à partir de surfaces 2D.
De telles structures sont restées théoriques jusqu'à ce que les imprimantes 3D fournissent le premier moyen pratique de les fabriquer. Le laboratoire Rice du scientifique des matériaux Pulickel Ajayan, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Campinas, São Paulo, a étudié la construction ascendante des schwarzites grâce à des simulations de dynamique moléculaire, puis a imprimé ces simulations sous la forme de cubes de polymère.
« Les géométries de ceux-ci sont vraiment complexes; tout est courbe, les surfaces internes ont une courbure négative et les morphologies sont très intéressantes, " a déclaré Chandra Sekhar Tiwary, chercheuse postdoctorale de Rice, qui a dirigé une étude antérieure qui a montré comment les coquillages protègent les corps mous des pressions extrêmes en transférant le stress à travers leurs structures.
Une imprimante 3D dessine une schwarzite dans un laboratoire de l'Université Rice. La surface incurvée d'une schwarzite se répète dans toute la structure, qui montre d'excellentes caractéristiques de résistance et de déformation. Crédit :Brandon Martin/Université Rice
"Les structures schwarzites sont sensiblement les mêmes, " dit-il. " La théorie montre qu'à l'échelle atomique, ces matériaux peuvent être très résistants. Il s'avère que l'agrandissement de la géométrie avec le polymère nous donne un matériau avec une capacité de charge élevée."
Les schwarzites présentaient également d'excellentes caractéristiques de déformation, il a dit. "La façon dont un matériau se casse est importante, " dit Tiwary. " Vous ne voulez pas que les choses se brisent de façon catastrophique; vous voulez qu'ils se cassent lentement. Ces structures sont belles parce que si vous appliquez une force d'un côté, ils se déforment lentement, couche par couche.
De gauche, Les chercheurs de l'Université Rice Chandra Sekhar Tiwary, Seyed Mohammad Sajadi, Peter Owuor, Pulickel Ajayan et Robert Vajtai détiennent des échantillons de schwarzites imprimés en 3D, blocs poreux basés sur des modèles mathématiques complexes créés au 19e siècle et développés au 20e. Les matériaux conservent leur résistance à n'importe quelle échelle, du nano au macro. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Vous pouvez faire un bâtiment entier avec ce matériau, et si quelque chose tombe dessus, ça va s'effondrer lentement, donc ce qu'il y a à l'intérieur sera protégé, " il a dit.
Parce qu'ils peuvent prendre diverses formes, l'équipe Rice a limité son enquête aux structures primitives et gyroïdes, qui ont des surfaces minimales périodiques telles que conçues à l'origine par Schwarz. Dans les essais, les deux transféraient des charges sur toute la géométrie des structures, quel que soit le côté comprimé. Cela s'est avéré vrai dans les simulations au niveau de l'atome ainsi que pour les modèles imprimés.
C'était inattendu, a déclaré Douglas Galvão, professeur à l'Université de Campinas qui étudie les nanostructures à travers des simulations de dynamique moléculaire. Il a suggéré le projet lorsque Tiwary a visité le campus du Brésil en tant que chercheur associé à l'American Physical Society et à la Brazilian Physical Society.
"Il est un peu surprenant que certaines caractéristiques à l'échelle atomique soient conservées dans les structures imprimées, " Galvão a déclaré. "Nous avons discuté du fait que ce serait bien si nous pouvions traduire les modèles atomiques de la schwarzite en structures imprimées en 3D. Après quelques essais, ça a plutôt bien marché. Cet article est un bon exemple d'une collaboration efficace entre théorie et expérience."
Les chercheurs ont déclaré que leur prochaine étape consisterait à affiner les surfaces avec des imprimantes à plus haute résolution et à minimiser davantage la quantité de polymère pour rendre les blocs encore plus légers. Dans un futur lointain, ils envisagent d'imprimer des schwarzites 3D avec des matériaux céramiques et métalliques à plus grande échelle.
"Il n'y a aucune raison que ce soient des blocs, " said co-author and Rice graduate student Peter Owuor. "We're basically making perfect crystals that start with a single cell that we can replicate in all directions."
