En utilisant un processus de fabrication au laser en une étape, les chercheurs ont créé des microfils hybrides flexibles qui conduisent l'électricité. (a) Une image au microscope optique des microfils d'argent (noir) et de silicone (clair). (b) Image de microscopie électronique à balayage de la même structure fabriquée. Les deux barres d'échelle sont égales à 25 microns. Crédit :Mitsuhiro Terakawa, Université Keio
Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé une seule étape, méthode basée sur le laser pour produire de petits, microstructures hybrides précises d'argent et de silicone souple. Cette technologie innovante de traitement au laser pourrait un jour permettre aux usines intelligentes qui utilisent une seule ligne de production de produire en série des appareils personnalisés combinant des matériaux mous tels que des tissus artificiels avec des matériaux durs qui ajoutent des fonctions telles que la détection du glucose.
Le composant métallique des microstructures les rend électriquement conductrices tandis que le silicone élastique contribue à la flexibilité. Cette combinaison unique de propriétés rend les structures sensibles à la force mécanique et pourrait être utile pour fabriquer de nouveaux types de dispositifs optiques et électriques.
"Ces types de microstructures pourraient éventuellement être utilisés pour mesurer de très petits mouvements ou changements, comme un léger mouvement du corps d'un insecte ou l'expression subtile produite par un muscle facial humain, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Mitsuhiro Terakawa de l'Université Keio, Japon. "Ces informations pourraient être utilisées pour créer des versions parfaites générées par ordinateur de ces mouvements."
Comme détaillé dans le journal Matériaux optiques Express , de la Société d'optique (OSA), les chercheurs ont produit des structures en fil d'argent entourées d'un type de silicone connu sous le nom de polydiméthylsiloxane (PDMS). Les chercheurs ont utilisé le PDMS car il est flexible et biocompatible, ce qui signifie qu'il est plus sûr d'utiliser sur ou dans le corps.
Ils ont fabriqué les structures, qui mesurent aussi peu que 25 microns de large, en irradiant un mélange de PDMS et d'ions d'argent avec des impulsions laser extrêmement courtes qui ne durent que quelques femtosecondes. En une femtoseconde, la lumière ne parcourt que 300 nanomètres, qui est juste légèrement plus grande que la plus petite bactérie.
"Nous pensons être le premier groupe à utiliser des impulsions laser femtosecondes pour créer un matériau hybride contenant du PDMS, ce qui est très utile en raison de son élasticité, " a déclaré Terakawa. " L'œuvre représente un pas vers l'utilisation d'un technologie de traitement au laser de précision pour fabriquer des dispositifs biocompatibles qui combinent des matériaux durs et mous."
Sur la photo, la configuration optique utilisée pour créer des microfils en argent-silicone avec la conductivité électrique du métal et l'élasticité d'un polymère. Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser femtosecondes, qui passent par la lentille de l'objectif sous la scène, pour créer les microstructures. La source lumineuse LED est utilisée pour surveiller la structure, qui s'affiche sur l'écran de l'ordinateur à droite. Notez que la source de lumière vive au-dessus de la scène n'est pas un laser femtoseconde, mais une lumière LED pour l'éclairage pour la surveillance. Crédit :Mitsuhiro Terakawa, Université Keio
Transformer deux processus laser en un seul
La méthode de fabrication en une étape utilisée pour fabriquer les microstructures hybrides combine les réactions chimiques à base de lumière appelées photopolymérisation et photoréduction, les deux ont été induits à l'aide d'impulsions laser femtosecondes. La photopolymérisation utilise la lumière pour durcir un polymère, et la photoréduction utilise la lumière pour former des microstructures et des nanostructures à partir d'ions métalliques.
La technique de fabrication est le résultat d'une collaboration entre le groupe de recherche de Terakawa, qui étudie la photoréduction à deux photons à l'aide de matériaux souples, et un groupe de l'organisation de recherche allemande Laser Zentrum Hannover, qui a fait progresser la photopolymérisation à photon unique du PDMS.
Pour créer les microstructures filaires, les chercheurs ont irradié le mélange PDMS-argent avec la lumière d'un laser femtoseconde émettant à 522 nm, une longueur d'onde qui interagit efficacement avec le mélange de matériaux. Ils ont également soigneusement sélectionné des ions d'argent qui se combineraient bien avec le PDMS.
Les chercheurs ont découvert qu'un seul balayage laser formait des fils présentant à la fois la conductivité électrique du métal et l'élasticité d'un polymère. Des analyses supplémentaires pourraient être utilisées pour produire des structures plus épaisses et plus uniformes. Ils ont également montré que les structures en fil répondaient à la force mécanique en soufflant de l'air sur les structures pour créer une pression de 3 kilopascals.
Les chercheurs disent que, en plus de fabriquer des structures de fils, l'approche pourrait être utilisée pour fabriquer de minuscules structures 3D en métal-silicone. Comme prochaine étape, ils prévoient d'étudier si les fils fabriqués conservent leur structure et leurs propriétés au fil du temps.
"Notre travail démontre que l'induction simultanée de la photoréduction et de la photopolymérisation est une méthode prometteuse pour la fabrication de microstructures élastiques et électriquement conductrices, " a déclaré Terakawa. " C'est une étape vers notre objectif à long terme de développer une usine intelligente pour fabriquer de nombreux appareils compatibles avec l'homme dans une ligne de production, si les matériaux sont mous ou durs."
