Un réseau de 256 micronœuds (points dorés) est étiré dans le dispositif d'étirement à commande manuelle. Après avoir été étiré dans une direction, le réseau est tourné de 90° et étiré dans l'autre sens. Crédit image :G. Lanzara, et al.
(PhysOrg.com) -- Maintenant que les scientifiques ont développé un assortiment diversifié de dispositifs et de matériaux de taille nanométrique et microscopique, l'un des plus grands défis consiste à trouver un moyen pratique de les incorporer dans des systèmes à grande échelle. Par exemple, petits capteurs, actionneurs, et les appareils électroniques ne peuvent atteindre leur plein potentiel que s'ils peuvent être exploités dans de grands systèmes dans la vie quotidienne. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont mis au point un moyen efficace de relier les échelles micro et macro en concevant un réseau de microfils et de micronœuds qui peut être étendu de quelques centimètres carrés à un mètre carré à de faibles niveaux de contrainte dans le matériau.
Giulia Lanzara, Janmin Feng, et Fu-Kuo Chang du Département d'aéronautique et d'astronautique de l'Université de Stanford ont publié leur étude dans un récent numéro de Matériaux et structures intelligents .
Comme l'expliquent les chercheurs dans leur étude, L'incorporation de composants électroniques miniaturisés dans de grands objets n'a pas encore été réalisée avec les technologies actuelles à des coûts abordables. La méthode traditionnelle consiste généralement à fabriquer d'abord les nano/microcomposants, puis à les assembler et à les câbler à l'échelle macro. Comme il peut y avoir des milliers de composants à assembler, cette méthode devient rapidement coûteuse et chronophage. Des approches alternatives ont inclus la fabrication des micro-composants sur des substrats étirables, mais jusqu'à présent, aucune conception n'a toléré de grandes quantités de tension et d'étirement. Dans leur étude, les chercheurs de Stanford utilisent également un substrat étirable, mais leur conception est hautement extensible, permettant un étirement bidimensionnel supérieur à 25, 600%.
« L'un des principaux rêves de la science et de la technologie est de développer des matériaux/structures ou dispositifs « intelligents » qui peuvent ressembler aux multiples fonctionnalités uniques des systèmes vivants, » a déclaré Lanzara PhysOrg.com . « Par conséquent, le défi majeur est l'intégration non invasive d'un réseau distribué de nano/microdispositifs dans des matériaux macroscopiques. L'idée que j'ai proposée pour surmonter ce problème est de construire un réseau de nano/microdispositifs sur un substrat extensible et flexible, modelé à l'échelle microscopique et qui ressemble, une fois agrandi, une toile d'araignée géante et ultra-légère. La toile peut alors être intégrée pour fabriquer des matériaux « intelligents » sans risque d'impacter le poids, performances mécaniques et fiabilité du matériel d'hébergement. La méthode multi-échelle proposée représente la première étape vers la réalisation de matériaux véritablement fonctionnels ressemblant à des systèmes vivants.
Parmi leurs expériences, les chercheurs ont construit un réseau composé de 5, 041 micronœuds d'un diamètre d'environ 200 micromètres (ceux-ci peuvent héberger de minuscules capteurs, actionneurs, etc.) qui sont connectés dans un motif en forme de grille par des microfils. La clé de la conception extensible consiste à organiser les microfils pré-déployés en boucles et segments - essentiellement, comprimer un fil aussi long que possible entre les nœuds de manière à permettre l'expansion à de faibles niveaux de contrainte. En enrobant les microfils d'une couche d'aluminium, les chercheurs pourraient leur permettre de fonctionner comme des interconnexions électriques entre les nœuds de divers appareils électroniques. Des micronœuds situés à la périphérie du réseau pourraient alors relayer des signaux électriques vers et hors du réseau.
Deux micronœuds sont reliés par un microfil qui est agencé en boucles et segments pour permettre un étirement à faible contrainte. Crédit image :G. Lanzara, et al.
La fabrication et l'expansion du réseau sont nouvelles mais relativement simples. Les chercheurs ont d'abord modelé les microfils et les micronœuds fonctionnels (dans la configuration pré-expansée) sur un film Kapton de 10 centimètres de diamètre, qui est un matériau polymère qui est également utilisé comme isolant pour les combinaisons spatiales et les fils électriques dans les navettes spatiales. Le matériau inutile a ensuite été retiré du film de Kapton pour former un réseau de micronœuds interconnectés par des microfils.
Le réseau de polymère a ensuite été étiré par une machine à étirer à commande manuelle, d'abord dans un sens puis dans l'autre. Au fur et à mesure que le réseau s'étend, les boucles de microfils s'écartent comme un accordéon (mais les nœuds ne s'étirent pas). A l'aide d'un microscope, les chercheurs ont inspecté le réseau étendu d'un mètre carré et ont constaté que les microfils et les micronœuds étaient toujours en bon état mécanique et électrique. Les micronœuds ont également été placés avec précision dans des emplacements prédéfinis après expansion.
"L'approche que j'ai proposée est conceptuellement simple mais personne n'y a pensé avant, », a déclaré Lanzara. "Au lieu d'essayer d'"étirer" un matériau pour couvrir de grandes surfaces et de se fier uniquement aux propriétés physiques du matériau, pourquoi ne pas simplement « retirer le matériau inutile » d'un film polymère et « concevoir » le matériau restant sous la forme de microfils et de micronœuds pliés ? De cette façon, en dépliant simplement les microfils, le matériau d'ingénierie peut être étendu à plusieurs ordres de grandeur de sa taille d'origine à des valeurs de déformation très faibles. Cette conception conduit à des rapports d'étirement bidimensionnels qui vont au-delà de la capacité d'étirement de n'importe quel matériau connu aujourd'hui.
Globalement, le réseau étendu est essentiellement une version à l'échelle macro du réseau centimétrique, avec les deux faits des mêmes composants de micro-taille. En outre, l'ensemble du grand réseau pourrait être enroulé en diverses formes 3D en raison de sa grande flexibilité et pourrait être facilement intégré dans des matériaux de différentes rigidités tels que les polymères flexibles et les composites en fibre de carbone.
Comme l'expliquent les chercheurs, le réseau hautement extensible peut constituer un moyen rentable d'intégrer un réseau haute densité de dispositifs nano/micro à l'échelle macro. Alors que l'application principale de ce réseau peut être pour les capteurs qui couvrent de vastes zones, l'approche pourrait également avoir des applications dans les équipements électroniques portables, présentoirs en papier, textiles électroniques intelligents, et plus.
«Ce travail peut certainement ouvrir la voie à l'espace, civil, militaire, applications médicales et biomédicales ainsi qu'au développement de produits susceptibles d'améliorer le confort et la qualité de notre mode de vie, », a déclaré Lanzara. "Par exemple, la nappe expansée peut être utilisée pour réaliser des textiles intelligents pour vêtements ou pour dispositifs médicaux, pour réaliser les matériaux de morphing du futur, ou multifonctionnel, exceptionnellement durable, composites fiables pour des avions sûrs et durables ainsi que pour réaliser la peau artificielle de robots humanoïdes. Fabriquer le réseau à la micro-échelle et l'étendre à la macro-échelle en une seule étape permet une réduction drastique des coûts d'intégration dans des matériaux ou des structures, Donc, les applications mentionnées ci-dessus peuvent enfin être pratiquement réalisées.
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