Trois échantillons de laboratoire sont présentés en taille décroissante. Les anneaux ont été durcis dans une centrifugeuse en utilisant l'accélération pour contrôler l'échelle de longueur des structures de gouttelettes, qui peuvent être utilisés pour créer des dispositifs biomimétiques comme des yeux composés artificiels ou des tapis ciliaires. Crédit :Pierre-Thomas Brun
Faire sauter le dessus de la peinture pour la maison amène généralement les gens à regarder à l'intérieur de la boîte. Mais les chercheurs de Princeton ont tourné leur regard vers le haut, sous le couvercle, où il s'avère que ce motif de gouttelettes pourrait inspirer de nouvelles façons de créer des structures microscopiquement petites.
L'astuce consiste à contrôler les gouttelettes, qui se forment sous des influences concurrentes comme la gravité et la tension superficielle. Une nouvelle étude, publié le 26 octobre dans la revue Communication Nature , explique comment une meilleure compréhension de ces très dynamiques, parfois, des forces instables peuvent être exploitées pour fabriquer rapidement et à moindre coût des objets qui nécessitent normalement un processus plus coûteux et plus long.
"Nous avons supprimé les moisissures, " dit Pierre-Thomas Brun, professeur adjoint de génie chimique et biologique à Princeton et chercheur principal de l'étude. "Nous n'avons pas besoin d'une salle blanche ou d'un équipement sophistiqué, les ingénieurs ont donc beaucoup plus de liberté dans le processus de conception."
En utilisant un silicone commun dans les dispositifs médicaux, l'équipe a versé un mince film liquide sur la surface d'une assiette, environ la taille d'un disque compact, qu'ils ont ensuite retournés à l'envers pendant plusieurs minutes pendant que le film durcissait. Sans intervention, le silicone liquide se fige en un réseau irrégulier de gouttelettes, un peu comme la peinture sous un couvercle. Mais en gravant la plaque avec une précision mathématique, utiliser des lasers pour découper les marques, les chercheurs ont "ensemencé" les gouttelettes dans un réseau d'hexagones parfaits, chacun avec une dimension uniforme.
"La gravité veut tirer le fluide vers le bas, " dit Joël Marthelot, associé de recherche postdoctoral à Princeton et auteur principal de l'article. "Les forces capillaires veulent que la surface se déforme le moins possible. Il y a donc une compétition entre ces deux forces, ce qui donne lieu à l'échelle de longueur de la structure.
Des versions plus sophistiquées de l'expérience utilisaient une centrifugeuse à la place de la gravité, ce qui a permis à l'équipe de faire varier la taille des gouttes avec une portée indéfinie. Au lieu d'assiettes, dans cette version, ils ont utilisé des cylindres en plastique qui ressemblent à des rondelles de hockey transparentes. L'excès de liquide a filé et a laissé leur modèle prévisible de gouttes durcies. La technique travaillée jusqu'à la limite de leur machinerie, qui a produit un réseau de structures d'environ 10 microns chacune, une fraction de la largeur d'un cheveu humain. Les structures, qui sont des prototypes, simuler les types de lentilles souples qui sont courantes dans les smartphones.
"Plus ça tourne vite, plus les gouttes sont petites, " Marthelot dit, notant qu'ils pourraient rendre les structures encore plus petites que ce qu'ils avaient réalisé jusqu'à présent. "Nous ne connaissons pas vraiment la limite de notre technique. Seulement la limite de notre centrifugeuse."
Selon Brun, les ingénieurs considèrent généralement les types d'instabilités mécaniques qui provoquent ce comportement comme une sorte d'ennemi juré. Ce sont les seuils physiques qui déterminent les charges de poids ou les capacités thermiques. "Dans ce cas, " il a dit, "nous avons profité de quelque chose qui est normalement considéré comme mauvais. Nous l'avons apprivoisé et l'avons rendu fonctionnel en le transformant en une voie vers la fabrication."
La technique peut être facilement étendue à la fabrication à grande échelle, les chercheurs ont dit. Au fur et à mesure que leurs méthodes évoluent, ils envisagent de créer des dispositifs biomimétiques, comme une lentille composée gonflable qui imite l'œil d'un insecte, ou des robots mous qui peuvent être utilisés dans les technologies médicales.
« On peut envisager un large éventail d'applications futures potentielles, " a déclaré Jörn Dunkel, professeur agrégé de mathématiques au Massachusetts Institute of Technology, « des surfaces réduisant la traînée ou superhydrophobes aux microlentilles et aux tapis ciliaires artificiels ».
