Un nouveau processus développé par John Hart du MIT et d'autres peut produire des matrices de formes 3D, à base de nanotubes de carbone se développant à partir d'une surface. Dans cet exemple, tous les nanotubes sont alignés pour se courber dans le même sens.
Une équipe de chercheurs a créé une nouvelle façon de fabriquer des surfaces microstructurées qui ont de nouvelles textures tridimensionnelles. Ces surfaces, réalisé par auto-assemblage de nanotubes de carbone, pourrait présenter une variété de propriétés utiles, notamment une rigidité et une résistance mécaniques contrôlables, ou la capacité de repousser l'eau dans une certaine direction.
"Nous avons démontré que les forces mécaniques peuvent être utilisées pour diriger des nanostructures pour former des microstructures tridimensionnelles complexes, et que l'on peut contrôler indépendamment… les propriétés mécaniques des microstructures, " dit A. John Hart, le Mitsui Career Development Associate Professor of Mechanical Engineering au MIT et auteur principal d'un article décrivant la nouvelle technique dans la revue Communication Nature .
La technique fonctionne en incitant les nanotubes de carbone à se plier au fur et à mesure de leur croissance. Le mécanisme est analogue au pliage d'un bilame, utilisé comme contrôle dans les anciens thermostats, en se réchauffant :un matériau se dilate plus rapidement qu'un autre qui lui est lié. Mais dans ce nouveau processus, le matériau se plie lorsqu'il est produit par une réaction chimique.
Le processus commence par l'impression de deux motifs sur un substrat :l'un est un catalyseur de nanotubes de carbone; le second matériau modifie la vitesse de croissance des nanotubes. En compensant les deux motifs, les chercheurs ont montré que les nanotubes se plient en des formes prévisibles à mesure qu'ils s'étendent.
En imprimant différents motifs sur le substrat, cette technique peut produire une grande variété de formes 3-D complexes. Dans ces images, le motif imprimé initial est représenté sous forme de diagramme (en haut à gauche), suivies d'images au microscope électronique à balayage (MEB) des formes individuelles de nanotubes de carbone qu'ils produisent. Les principales images SEM montrent un tableau de ces formes :A, tordu, formes d'hélices; B, demi-cercles courbés vers l'extérieur; C, déformation en spirale de microstructures à parois minces; et D, une organisation collective de formes de flexion dans un motif ondulé.
"Nous pouvons spécifier ces instructions bidimensionnelles simples, et amener les nanotubes à former des formes complexes en trois dimensions, " dit Hart. Là où les nanotubes qui croissent à des vitesses différentes sont adjacents, "ils se poussent et se tirent les uns sur les autres, " produire des formes plus complexes, Hart explique. "C'est un nouveau principe d'utiliser la mécanique pour contrôler la croissance d'un matériau nanostructuré, " il dit.
Peu de procédés de fabrication à haut débit peuvent atteindre une telle flexibilité dans la création de structures tridimensionnelles, dit Hart. Cette technique, il ajoute, est attrayant car il peut être utilisé pour créer simultanément de grandes étendues de structures ; la forme de chaque structure peut être spécifiée en concevant le modèle de départ. Hart dit que la technique pourrait également permettre le contrôle d'autres propriétés, tels que la conductivité électrique et thermique et la réactivité chimique, en fixant divers revêtements aux nanotubes de carbone après leur croissance.
"Si vous enduisez les structures après le processus de croissance, vous pouvez modifier de manière exquise leurs propriétés, " dit Hart. Par exemple, enrober les nanotubes de céramique, en utilisant une méthode appelée dépôt de couche atomique, permet de contrôler les propriétés mécaniques des structures. « Lorsqu'une couche épaisse est déposée, nous avons une surface avec une rigidité exceptionnelle, force, et la ténacité par rapport à [sa] densité, " explique Hart. " Lorsqu'une fine couche est déposée, les structures sont très flexibles et résilientes."
Cette approche peut également permettre « la réplication haute fidélité des structures complexes trouvées sur la peau de certaines plantes et animaux, " Hart dit, et pourrait permettre de produire en série des surfaces aux caractéristiques spécialisées, comme la capacité hydrofuge et adhésive de certains insectes. « Nous sommes intéressés à contrôler ces propriétés fondamentales à l'aide de techniques de fabrication évolutives, " dit Hart.
Images au microscope rapprochées de formes de nanotubes de carbone et illustrations des motifs qui les produisent. A gauche, une forme courbe simple, et à droite, formes d'hélices courbes complexes, qui peuvent être produits par cette méthode de croissance de nanotubes de carbone.
Hart dit que les surfaces ont la durabilité des nanotubes de carbone, qui pourraient leur permettre de survivre dans des environnements difficiles, et pourrait être connecté à l'électronique et fonctionner comme des capteurs de signaux mécaniques ou chimiques.
Kévin Turner, un professeur agrégé de génie mécanique et de mécanique appliquée à l'Université de Pennsylvanie qui n'a pas participé à cette recherche, dit que cette approche "est assez nouvelle car elle permet l'ingénierie de microstructures 3-D complexes [composées] de nanotubes de carbone. Approches traditionnelles de microfabrication, tels que la structuration et la gravure, ne permettent généralement que la fabrication de structures 3D simples qui sont essentiellement des motifs 2D extrudés. »
Turner ajoute, "Un aspect particulièrement passionnant de ce travail est que les structures sont composées de nanotubes de carbone, qui ont des mécaniques souhaitables, thermique, et les propriétés électriques.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
