Les élastomères à cristaux liquides se déforment en réponse à la chaleur, et la forme qu'ils prennent dépend de l'alignement de leurs éléments cristallins internes, qui peut être déterminé en les exposant à différents champs magnétiques pendant la formation. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
Les coussinets des pieds notoirement collants des geckos sont recouverts de soies microscopiques, des structures ressemblant à des cheveux dont la composition chimique et physique et une grande flexibilité permettent au lézard de saisir facilement les murs et les plafonds. Les scientifiques ont essayé de reproduire de telles microstructures dynamiques en laboratoire avec une variété de matériaux, y compris les élastomères à cristaux liquides (LCE), qui sont des réseaux caoutchouteux avec des groupes cristallins liquides attachés qui dictent les directions dans lesquelles les LCE peuvent se déplacer et s'étirer. Jusque là, les LCE synthétiques ont pour la plupart été capables de se déformer en une ou deux dimensions, limitant la capacité des structures à se déplacer dans l'espace et à prendre des formes différentes.
Maintenant, un groupe de scientifiques du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a exploité les champs magnétiques pour contrôler la structure moléculaire des LCE et créer des formes polymères tridimensionnelles microscopiques qui peuvent être programmées pour se déplacer dans n'importe quelle direction en réponse à plusieurs types de stimuli. L'oeuvre, signalé dans PNAS , pourrait conduire à la création d'un certain nombre de dispositifs utiles, y compris des panneaux solaires qui tournent pour suivre le soleil pour une meilleure capture d'énergie.
"Ce qui est essentiel dans ce projet, c'est que nous sommes capables de contrôler la structure moléculaire en alignant les cristaux liquides dans une direction arbitraire dans l'espace 3D, nous permettant de programmer presque n'importe quelle forme dans la géométrie du matériau lui-même, " a déclaré le premier auteur Yuxing Yao, qui est un étudiant diplômé du laboratoire de Joanna Aizenberg, membre fondateur du corps professoral de Wyss, doctorat
Les microstructures créées par l'équipe de Yao et Aizenberg sont constituées de LCE moulés dans des formes arbitraires qui peuvent se déformer en réponse à la chaleur, léger, et l'humidité, et dont la reconfiguration spécifique est contrôlée par leurs propres propriétés chimiques et matérielles. Les chercheurs ont découvert qu'en exposant les précurseurs LCE à un champ magnétique pendant leur synthèse, tous les éléments cristallins liquides à l'intérieur des LCE se sont alignés le long du champ magnétique et ont conservé cet alignement moléculaire après la solidification du polymère. En faisant varier la direction du champ magnétique au cours de ce processus, les scientifiques pourraient dicter la façon dont les formes LCE résultantes se déformeraient lorsqu'elles seraient chauffées à une température qui perturberait l'orientation de leurs structures cristallines liquides. Au retour à température ambiante, les structures déformées reprennent leur forme initiale, forme orientée vers l'intérieur.
De tels changements de forme programmés pourraient être utilisés pour créer des messages cryptés qui ne sont révélés que lorsqu'ils sont chauffés à une température spécifique, actionneurs pour petits robots mous, ou des matériaux adhésifs dont le pouvoir collant peut être activé et désactivé. Le système peut également amener les formes à se plier de manière autonome dans des directions qui nécessiteraient généralement l'apport d'une certaine énergie pour y parvenir. Par exemple, une plaque LCE s'est avérée non seulement subir une flexion hors plan "traditionnelle", mais aussi flexion ou torsion dans le plan, élongation, et contraction. En outre, des mouvements uniques pourraient être obtenus en exposant différentes régions d'une structure LCE à plusieurs champs magnétiques pendant la polymérisation, qui s'est ensuite déformé dans différentes directions lorsqu'il est chauffé.
Des micropiliers constitués d'un élastomère à cristaux liquides (LCE) sensible à la lumière se réorientent pour suivre la lumière provenant de différentes directions, ce qui pourrait conduire à des panneaux solaires plus efficaces. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
L'équipe a également pu programmer leurs formes LCE pour se reconfigurer en réponse à la lumière en incorporant des molécules de réticulation sensibles à la lumière dans la structure pendant la polymérisation. Puis, lorsque la structure était éclairée d'une certaine direction, le côté tourné vers la lumière se contracte, provoquant la courbure de la forme entière vers la lumière. Ce type de mouvement autorégulé permet aux LCE de se déformer en réponse à leur environnement et de se réorienter en permanence pour suivre de manière autonome la lumière.
En outre, Les LCE peuvent être créés avec des propriétés de réponse à la chaleur et à la lumière, de telle sorte qu'une structure à un seul matériau est désormais capable de multiples formes de mécanismes de mouvement et de réponse.
Une application passionnante de ces LCE multi-réactifs est la création de panneaux solaires recouverts de microstructures qui tournent pour suivre le soleil lorsqu'il se déplace dans le ciel comme un tournesol, résultant ainsi en une capture de la lumière plus efficace. La technologie pourrait également constituer la base de radios autonomes à suivi de source, cryptage à plusieurs niveaux, capteurs, et des bâtiments intelligents.
« Notre laboratoire a actuellement plusieurs projets en cours dans lesquels nous travaillons sur le contrôle de la chimie de ces LCE pour permettre des comportements de déformation inédits, comme nous pensons que ces structures bio-inspirées dynamiques ont le potentiel de trouver une utilisation dans un certain nombre de domaines, " dit Aizenberg, qui est également le professeur Amy Smith Berylson de science des matériaux à SEAS.
« Poser des questions fondamentales sur le fonctionnement de la nature et sur la possibilité de reproduire des structures et des processus biologiques en laboratoire est au cœur des valeurs du Wyss Institute, et peut souvent conduire à des innovations qui correspondent non seulement aux capacités de la nature, mais les améliorer pour créer de nouveaux matériaux et dispositifs qui n'existeraient pas autrement, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à SEAS.
