Les matériaux reconfigurables peuvent faire des choses incroyables. Les draps plats se transforment en visage. Un cube extrudé se transforme en des dizaines de formes différentes. Mais il y a une chose qu'un matériau reconfigurable doit encore pouvoir changer :sa topologie sous-jacente. Un matériau reconfigurable avec 100 cellules aura toujours 100 cellules, même si ces cellules sont étirées ou écrasées.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une méthode pour modifier la topologie fondamentale d'un matériau cellulaire à l'échelle microscopique. La recherche est publiée dans La nature .

"La création de structures cellulaires capables de changer dynamiquement leur topologie ouvrira de nouvelles opportunités dans le développement de matériaux actifs avec cryptage de l'information, piégeage sélectif des particules, ainsi qu'une mécanique accordable, propriétés chimiques et acoustiques, " a déclaré Joanna Aizenberg, le professeur Amy Smith Berylson de science des matériaux à SEAS et professeur de chimie et de biologie chimique et auteur principal de l'article.

Les chercheurs ont exploité la même physique qui rassemble nos cheveux lorsqu'ils sont mouillés :la force capillaire. La force capillaire fonctionne bien sur doux, matériel conforme, comme nos cheveux, mais se débat avec des structures cellulaires rigides qui nécessitent la flexion, étirement ou pliage des murs, surtout autour de fort, nœuds connectés. La force capillaire est également temporaire, avec des matériaux tendant à revenir à leur configuration d'origine après séchage.

Afin de développer une méthode durable mais réversible pour transformer la topologie des microstructures cellulaires rigides, les chercheurs ont développé une stratégie dynamique à deux niveaux. Ils ont commencé par un raide, microstructure cellulaire polymérique à topologie en treillis triangulaire, et l'a exposé à des gouttelettes d'un solvant volatil choisi pour gonfler et ramollir le polymère à l'échelle moléculaire. Cela a rendu le matériau temporairement plus flexible et dans cet état flexible, les forces capillaires imposées par le liquide en évaporation rapprochent les bords des triangles, changer leurs connexions les unes avec les autres et les transformer en hexagones. Puis, le solvant s'évaporant rapidement, le matériau a séché et a été piégé dans sa nouvelle configuration, retrouver sa raideur. L'ensemble du processus a pris quelques secondes.

« Quand vous pensez aux applications, il est vraiment important de ne pas perdre les propriétés mécaniques d'un matériau après le processus de transformation, " dit Shucong Li, un étudiant diplômé du Aizenberg Lab et co-premier auteur de l'article. "Ici, nous avons montré que nous pouvons commencer avec un matériau rigide et terminer avec un matériau rigide en le ramollissant temporairement au stade de la reconfiguration. »

La nouvelle topologie du matériau est si durable qu'elle peut résister à la chaleur ou être immergée dans certains liquides pendant des jours sans démontage. Sa robustesse a en effet posé problème aux chercheurs qui avaient espéré rendre la transformation réversible.

Pour revenir à la topologie d'origine, les chercheurs ont développé une technique qui combine deux liquides. Le premier gonfle temporairement le réseau, qui décolle les parois collées des hexagones et permet au treillis de revenir à sa structure triangulaire d'origine. La deuxième, un liquide moins volatil retarde l'apparition des forces capillaires jusqu'à ce que le premier liquide se soit évaporé et que le matériau ait retrouvé sa rigidité. De cette façon, les structures peuvent être assemblées et démontées à plusieurs reprises et piégées dans n'importe quelle configuration intermédiaire.

"Afin d'étendre notre approche aux réseaux arbitraires, il était important de développer un modèle théorique généralisé qui relie les géométries cellulaires, rigidité du matériau et forces capillaires, " a déclaré Bolei Deng, co-premier auteur de l'article et étudiant diplômé dans le laboratoire de Katia Bertoldi, le professeur William et Ami Kuan Danoff de mécanique appliquée à SEAS.

Guidé par ce modèle, les chercheurs ont démontré des transformations topologiques réversibles programmées de diverses géométries de réseau et de matériaux réactifs, y compris transformer un réseau de cercles en carrés.

Les chercheurs ont exploré diverses applications pour l'étude. Par exemple, l'équipe a encodé des motifs et des conceptions dans le matériau en créant de minuscules, ajustements invisibles à la géométrie du réseau triangulaire.

"Vous pouvez imaginer que cela soit utilisé pour le cryptage des informations à l'avenir, parce que vous ne pouvez pas voir le motif dans le matériau lorsqu'il est dans son état non assemblé, " dit Li.

Les chercheurs ont également démontré une transformation très locale, assembler et désassembler des régions du réseau avec une petite goutte de liquide. Cette méthode pourrait être utilisée pour régler les propriétés de frottement et de mouillage d'un matériau, modifier ses propriétés acoustiques et sa résilience mécanique, et même piéger les particules et les bulles de gaz.

"Notre stratégie pourrait être appliquée à une gamme d'applications, " dit Bertoldi, qui est également co-auteur de l'article. "Nous pouvons appliquer cette méthode à différents matériaux, y compris les matériaux réactifs, différentes géométries et différentes échelles, même l'échelle nanométrique où la topologie joue un rôle clé dans la conception de méta-surfaces photoniques accordables. L'espace de conception pour cela est énorme."