Le plan de la nature pour le membre humain est une structure soigneusement stratifiée avec un os rigide enveloppé dans des couches de différents tissus mous, comme les muscles et la peau, tous parfaitement liés les uns aux autres. Atteindre ce genre de sophistication en utilisant des matériaux synthétiques pour construire des pièces robotiques d'inspiration biologique ou multi-composants, machines complexes a été un défi d'ingénierie.

En peaufinant la chimie d'un seul polymère, Des chercheurs de la Texas A&M University et du U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory ont créé toute une famille de matériaux synthétiques dont la texture varie d'ultra-doux à extrêmement rigide. Les chercheurs ont déclaré que leurs matériaux sont imprimables en 3D, auto-guérison, recyclables et ils adhèrent naturellement les uns aux autres dans l'air ou sous l'eau.

Leurs conclusions sont détaillées dans le numéro de mai de la revue Matériaux fonctionnels avancés .

"Nous avons créé un groupe passionnant de matériaux dont les propriétés peuvent être affinées pour obtenir la douceur du caoutchouc ou la résistance des plastiques porteurs, " a déclaré le Dr Svetlana Sukhishvili, professeur au Département de science et génie des matériaux et auteur correspondant de l'étude. « Leurs autres caractéristiques souhaitables, comme l'imprimabilité 3D et la capacité d'auto-guérison en quelques secondes, les rendre adaptés non seulement aux prothèses plus réalistes et à la robotique douce, mais également idéal pour de larges applications militaires telles que les plates-formes agiles pour les véhicules aériens et les ailes d'avion auto-réparatrices futuristes."

Les polymères synthétiques sont constitués de longues chaînes de motifs moléculaires répétés, comme des perles sur une chaîne. Dans les polymères élastomères, ou élastomères, ces longues chaînes sont légèrement réticulées, donnant aux matériaux une qualité caoutchouteuse. Cependant, ces réticulations peuvent également être utilisées pour rigidifier les élastomères en augmentant le nombre de réticulations.

Bien que des études antérieures aient manipulé la densité des réticulations pour rendre les élastomères plus rigides, le changement résultant de la résistance mécanique était généralement permanent.

"Les liens croisés sont comme des points dans un morceau de tissu, plus vous avez de points de suture, plus le matériau devient rigide et vice versa, " dit Sukhishvili. " Mais au lieu d'avoir ces " points " permanents, nous voulions réaliser une réticulation dynamique et réversible afin de pouvoir créer des matériaux recyclables."

Donc, les chercheurs ont concentré leur attention sur les molécules impliquées dans la réticulation. D'abord, ils ont choisi un polymère parent, appelé prépolymère, puis chimiquement clouté ces chaînes prépolymères avec deux types de petites molécules de réticulation-furane et maléimide. En augmentant le nombre de ces molécules dans le prépolymère, ils ont découvert qu'ils pouvaient créer des matériaux plus rigides. De cette façon, le matériau le plus dur qu'ils ont créé était 1, 000 fois plus fort que le plus doux.

Cependant, ces réticulations sont également réversibles. Le furane et le maléimide participent à un type de liaison chimique réversible. Mettre tout simplement, dans cette réaction, les paires furane et maléimide peuvent "cliquer" et "décliquer" en fonction de la température. Lorsque la température est suffisamment élevée, ces molécules se détachent des chaînes polymères et les matériaux se ramollissent. À température ambiante, les matériaux durcissent car les molécules se réenclenchent rapidement, formant à nouveau des réticulations. Ainsi, en cas de déchirure de ces matériaux à température ambiante, les chercheurs ont montré que le furane et le maléimide se re-cliquent automatiquement, combler l'écart en quelques secondes.

Les chercheurs ont noté que les températures auxquelles les agents de réticulation se dissocient ou se détachent des chaînes de prépolymère sont relativement les mêmes pour différents niveaux de rigidité. Cette propriété est utile pour l'impression 3D avec ces matériaux. Qu'elles soient molles ou dures, les matériaux peuvent être fondus à la même température puis utilisés comme encre d'imprimerie.

"En modifiant les paramètres matériels et de traitement dans une imprimante 3D standard, nous avons pu utiliser nos matériaux pour imprimer des objets 3D complexes couche par couche, " a déclaré le Dr Frank Gardea, ingénieur de recherche au United States Army Research Laboratory et auteur correspondant de l'étude. "L'avantage unique de nos matériaux est que les couches qui composent la pièce 3D peuvent être de rigidité très différente."

Lorsque la pièce 3D se refroidit à température ambiante, il a ajouté que les différentes couches se rejoignent de manière transparente, excluant le besoin de durcissement ou de tout autre traitement chimique. Par conséquent, les pièces imprimées en 3D peuvent facilement être fondues à haute température puis recyclées comme encre d'impression. Les chercheurs ont également noté que leurs matériaux sont reprogrammables. En d'autres termes, après avoir été mis en une forme, ils peuvent être transformés en une forme différente en utilisant simplement de la chaleur.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'augmenter la fonctionnalité de leurs nouveaux matériaux en amplifiant ses propriétés à multiples facettes décrites dans la présente étude.

"À l'heure actuelle, nous pouvons facilement atteindre environ 80% d'auto-guérison à température ambiante, mais nous aimerions atteindre 100%. Aussi, nous voulons rendre nos matériaux sensibles à d'autres stimuli que la température, comme la lumière, " dit Gardea. " Plus loin sur la route, nous aimerions explorer l'introduction d'une intelligence de bas niveau afin que ces matériaux sachent s'adapter de manière autonome sans avoir besoin d'un utilisateur pour lancer le processus."