Cristaux liquides cholestériques, un matériau synthétique avec des propriétés entre les liquides et les cristaux solides, peut imiter les couleurs des ailes de papillon. Les cristaux liquides sont utilisés dans les téléviseurs et les smartphones, mais les applications futures des capteurs de soins de santé ou de l'éclairage décoratif sont difficiles car les matériaux ne peuvent pas être utilisés à un stade avancé, méthodes de production rapides comme l'impression 3D. Les matériaux ne sont pas assez visqueux pour rendre stable, structures solides, et il est difficile d'aligner les molécules pour produire des couleurs spécifiques. Les chercheurs de TU/e ​​ont résolu ces problèmes en développant une nouvelle encre à cristaux liquides réfléchissant la lumière qui peut être utilisée avec les techniques d'impression 3D existantes. La nouvelle recherche a été publiée dans la revue Matériaux avancés .

Dans la nature, matières irisées, qui présentent un changement de couleur lorsqu'ils sont vus sous différents angles, peut être trouvé dans les ailes de papillon et dans la nacre (ou la nacre) dans la coquille interne des mollusques.

Une version artificielle de ces matériaux naturels est le cristal liquide cholestérique, qui a déjà été utilisé comme matériaux "intelligents" dans les réflecteurs de lumière, fenêtres commutables, et des capteurs d'énergie solaire accordables.

Pour les applications de soins de santé dans les capteurs portables souples ou l'éclairage décoratif, les cristaux liquides cholestériques sont parfaitement adaptés. Jusqu'à maintenant cependant, il manquait un moyen simple de produire ces matériaux et de fabriquer des dispositifs à partir de ces matériaux.

Chercheurs du département de Génie Chimique et Chimie de TU/e ​​en collaboration avec TNO, DSM, Brightlands Materials Center (dans le consortium DynAM), et SABIC ont créé une encre à base d'élastomère à cristaux liquides inspirée de la nature qui peut être imprimée en 3D sur une surface via Direct-Ink-Writing (DIW). L'auteur principal de l'étude est Ph.D. candidat Jeroen Sol, avec Albert Schenning et Michael Debije du groupe Matériaux et dispositifs fonctionnels sensibles aux stimuli (SFD) à la tête du projet de recherche.

"DIW est une approche d'impression 3D basée sur l'extrusion où une encre est distribuée à partir d'une petite buse sur une surface couche par couche. Les encres à cristaux liquides cholestériques actuelles ne peuvent pas être imprimées avec DIW, nous avons donc créé une encre à cristaux liquides compatible avec DIW, " dit Sol.

La nouvelle encre à cristaux liquides possède plusieurs propriétés clés. D'abord, les propriétés de réflexion de la lumière de l'encre reposent sur l'alignement hélicoïdal précis des molécules dans tout le matériau, ce qui nécessite un réglage fin du processus d'impression. Seconde, les molécules de l'encre peuvent s'auto-assembler en de telles structures qui affichent des couleurs similaires aux matériaux irisés naturels, comme ceux des ailes de papillon. Troisième, la nouvelle encre a une viscosité plus élevée que les encres précédentes, ce qui le rend approprié pour l'impression DIW.

Finalement, la nouvelle encre est nouvelle, facile à faire, facile à traiter, et basé sur des matériaux précédemment développés par le groupe de recherche SFD à TU/e ​​pour les revêtements réfléchissant la lumière, qui contribuent à le rendre adapté à l'impression 3D.

Ailes de papillon

"Pour imprimer avec succès la nouvelle encre avec DIW, nous avons fait varier des paramètres comme la vitesse d'impression et la température. Et pour que l'encre s'imprime correctement, nous avons également fabriqué une encre contenant des cristaux liquides de bas poids moléculaire, " note Sol. Assez impressionnant, les chercheurs ont pu utiliser la nouvelle encre pour imprimer des ailes de papillon synthétiques !

Mais à la grande surprise des chercheurs, ils ont également pu contrôler très précisément l'alignement moléculaire à l'échelle nanométrique en faisant varier la vitesse d'impression. Cela a permis aux chercheurs d'avoir un meilleur contrôle sur l'apparence et les propriétés de réflexion de la lumière du matériau. "Traditionnellement, ce niveau de contrôle n'est possible qu'avec des appareils de fabrication très spécialisés, donc faire cela avec la nouvelle encre et l'impression 3D DIW est une véritable avancée, " dit Sol.

Applications futures

Étant donné que la nouvelle encre à cristaux liquides peut être imprimée avec DIW, il pourrait être utilisé dans les futures procédures d'impression pour les dispositifs médicaux personnalisés tels que les biocapteurs portables minces qui interagissent visuellement et de manière colorée avec le porteur.

"Quoi de plus, la combinaison de notre nouvelle encre et DIW peut être utilisée pour imprimer les structures optiques spécialisées nécessaires aux casques de réalité augmentée où les images réelles et artificielles sont combinées de manière transparente, " dit Sol avec enthousiasme. " Les nouveaux matériaux pourraient trouver leur place dans les HoloLenses du futur - maintenant, ce serait quelque chose d'extraordinaire ! "