Les flèches torsadées sont l'une des formes 3D que les chercheurs de l'Université du Michigan ont pu développer à l'aide d'un nouveau procédé de fabrication. Crédit :A. John Hart
ANN ARBOR, Mich. --- Flèches tordues, anneaux concentriques, et les pétales courbés avec grâce sont quelques-unes des nouvelles formes tridimensionnelles que les ingénieurs de l'Université du Michigan peuvent créer à partir de nanotubes de carbone à l'aide d'un nouveau processus de fabrication.
Le processus est appelé "formation capillaire, " et il profite de l'action capillaire, le phénomène à l'œuvre lorsque les liquides semblent défier la gravité et remonter d'eux-mêmes une paille à boire.
Les nouvelles formes miniatures, qui sont difficiles voire impossibles à construire avec n'importe quel matériau, ont le potentiel d'exploiter la mécanique exceptionnelle, thermique, électrique, et les propriétés chimiques des nanotubes de carbone de manière évolutive, a dit A. John Hart, professeur adjoint au Département de génie mécanique et à l'École d'art et de design.
Ils pourraient conduire à des sondes pouvant s'interfacer avec des cellules et des tissus individuels, nouveaux dispositifs microfluidiques, et de nouveaux matériaux avec un patchwork personnalisé de textures et de propriétés de surface.
Un article sur la recherche est publié dans l'édition d'octobre de Matériaux avancés , et figure sur la couverture.
"Il est facile de faire des nanotubes de carbone droits et verticaux comme des bâtiments, " Hart a déclaré. "Il n'a pas été possible de les transformer en formes plus complexes. L'assemblage de nanostructures en formes tridimensionnelles est l'un des objectifs majeurs de la nanotechnologie. La méthode de formation de capillaires pourrait être appliquée à de nombreux types de nanotubes et de nanofils, et son évolutivité est très attrayante pour la fabrication."
En utilisant des modèles bidimensionnels uniques, des chercheurs de l'Université du Michigan pourraient amener des nanotubes de carbone à se développer de manière complexe, structures tridimensionnelles courbes. Crédit :A. John Hart
La méthode de Hart commence par estamper des motifs sur une plaquette de silicium. Son encre dans ce cas est le catalyseur de fer qui facilite la croissance verticale des nanotubes de carbone dans les formes à motifs. Plutôt que de tamponner un traditionnel, grille uniforme de cercles, Cercles creux de timbre de Hart, demi-cercles et cercles avec des plus petits coupés de leurs centres. Les formes sont disposées dans différentes orientations et groupes. Un de ces groupes est un pentagone de demi-cercles avec leurs côtés plats tournés vers l'extérieur.
Il utilise le procédé traditionnel de "dépôt chimique en phase vapeur" pour faire croître les nanotubes selon les modèles prescrits. Puis il suspend la plaquette de silicium avec sa forêt de nanotubes sur un bécher d'un solvant bouillant, comme l'acétone. Il laisse l'acétone se condenser sur les nanotubes, puis laisse l'acétone s'évaporer.
Au fur et à mesure que le liquide se condense, les forces d'action capillaire entrent en jeu et transforment les nanotubes verticaux en structures tridimensionnelles complexes. Par exemple, De grands demi-cylindres de nanotubes se plient vers l'arrière pour former une forme ressemblant à une fleur en trois dimensions.
"Nous programmons la formation de formes 3D avec ces motifs 2D, " Hart a déclaré. "Nous avons découvert que la forme de départ influence la façon dont les forces capillaires modifient la géométrie des structures. Certains se plient, d'autres se tordent, et nous pouvons les combiner comme nous le voulons."
Le processus de formation capillaire permet aux chercheurs de créer de grands lots de microstructures 3D --- toutes beaucoup plus petites qu'un millimètre cube --- sur des zones essentiellement illimitées, dit Hart. En outre, les chercheurs montrent que leurs structures 3D sont jusqu'à 10 fois plus rigides que les polymères typiques utilisés en microfabrication. Ainsi, ils peuvent être utilisés comme moules pour la fabrication des mêmes formes 3D dans d'autres matériaux.
"Nous aimerions penser que cela ouvre l'idée de créer des surfaces et des matériaux nanostructurés personnalisés avec des géométries et des propriétés variant localement, " dit Hart. " Maintenant, nous pensons aux matériaux comme ayant les mêmes propriétés partout, mais avec cette nouvelle technique, nous pouvons rêver de concevoir ensemble la structure et les propriétés d'un matériau."
