Dans un design qui imite une texture difficile à dupliquer des coquilles d'étoiles de mer, Les ingénieurs de l'Université du Michigan ont fabriqué des cristaux arrondis sans facettes.

"Nous les appelons des nanolobes. Ils ressemblent à de petites montgolfières qui s'élèvent de la surface, " a déclaré Olga Shalev, un doctorant en science et ingénierie des matériaux qui a travaillé sur le projet.

La forme des nanolobes et leur mode de fabrication ont des applications prometteuses, disent les chercheurs. La géométrie pourrait potentiellement être utile pour guider la lumière dans les LED avancées, cellules solaires et surfaces non réfléchissantes.

Une couche peut aider un matériau à repousser l'eau ou la saleté. Et le processus utilisé pour les fabriquer - l'impression par jet de vapeur organique - pourrait se prêter à l'impression 3D de médicaments qui s'absorbent mieux dans le corps et rendent possible un dosage personnalisé.

Les formes à l'échelle nanométrique sont constituées de chlorure de sous-phtalocyanine de bore, un matériau souvent utilisé dans les cellules solaires organiques. C'est dans une famille de petits composés moléculaires qui ont tendance à faire des films plats ou des cristaux à facettes avec des bords tranchants, dit Max Shtein, U-M professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux, science et ingénierie macromoléculaires, ingénieur chimiste, et l'art et le design.

"Au cours de mes années de travail avec ce genre de matériaux, Je n'ai jamais vu de formes qui ressemblaient à celles-ci. Ils rappellent ce que vous obtenez des processus biologiques, " dit Shtein. " La nature peut parfois produire des cristaux lisses, mais les ingénieurs n'ont pas été en mesure de le faire de manière fiable."

Les créatures marines échinodermes telles que les ophiures ont ordonné sur leur corps des structures arrondies qui fonctionnent comme des lentilles pour recueillir la lumière dans leurs yeux rudimentaires. Mais dans un laboratoire, les cristaux composés des mêmes minéraux ont tendance soit à être facettés avec des faces planes et des angles vifs, ou lisse, mais sans ordre moléculaire.

Les chercheurs de l'U-M ont fabriqué les cristaux incurvés par accident il y a plusieurs années. Depuis, ils ont tracé leurs pas et ont compris comment le faire exprès.

En 2010, Shaurjo Biswas, puis doctorant à l'U-M, fabriquait des cellules solaires avec l'imprimante à jet de vapeur organique. Il recalibrait la machine après avoir changé de matériau. Une partie du processus de recalibrage consiste à examiner de près les nouvelles couches de matériau, de films, imprimé sur une plaque.

Bis a passé aux rayons X plusieurs films d'épaisseurs différentes pour observer la structure cristalline. Il a remarqué que le chlorure de sous-phtalocyanine de bore, qui ne forme généralement pas de formes ordonnées, commencé à le faire une fois que le film est devenu plus épais que 600 nanomètres. Il a fait des films plus épais pour voir ce qui se passerait.

"En premier, nous nous sommes demandé si notre appareil fonctionnait correctement, " dit Shtein.

À 800 nanomètres d'épaisseur, le motif répétitif des nanolobes a émergé à chaque fois.

Pour un long moment, les gouttes étaient des curiosités de laboratoire. Les chercheurs se sont concentrés sur d'autres choses. Puis le doctorant Shalev s'est impliqué. Elle était fascinée par les structures et voulait comprendre la raison du phénomène. Elle a répété les expériences dans un appareil modifié qui a donné plus de contrôle sur les conditions pour les faire varier systématiquement.

Shalev a collaboré avec le professeur de physique Roy Clarke pour mieux comprendre la cristallisation, et le professeur de génie mécanique Wei Lu pour simuler l'évolution de la surface. Elle est la première auteure d'un article sur les résultats publiés dans l'édition actuelle de Communication Nature .

"Pour autant que nous sachions, aucune autre technologie ne peut le faire, " a déclaré Shalev.

Le processus d'impression par jet de vapeur organique que les chercheurs utilisent est une technique que Shtein a aidé à développer lorsqu'il était à l'université. Il le décrit comme de la peinture au pistolet, mais avec un gaz plutôt qu'avec un liquide. C'est moins cher et plus facile à faire pour certaines applications que les approches concurrentes qui impliquent des pochoirs ou ne peuvent être faites que dans le vide, dit Shtein. Il est particulièrement optimiste quant aux perspectives de cette technique pour faire progresser les concepts pharmaceutiques émergents imprimés en 3D.

Par exemple, Shtein et Shalev pensent que cette méthode offre un moyen précis de contrôler la taille et la forme des particules de médicament, pour une absorption plus facile dans le corps. Il pourrait également permettre aux médicaments d'être attachés directement à d'autres matériaux et il ne nécessite pas de solvants qui pourraient introduire des impuretés.