Des matériaux solides, comme le béton, sont généralement lourds, et des matériaux légers, comme le caoutchouc (pour les gants en latex) et le papier, sont généralement faibles et susceptibles de se déchirer et de s'endommager. Julia R. Greer, professeur de science des matériaux et de mécanique à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech, contribue à briser ce lien.

Q :Que faites-vous ?

A :Je suis un scientifique des matériaux, et je travaille avec des matériaux dont les dimensions sont à l'échelle nanométrique. Un nanomètre est un milliardième de mètre, ou environ un cent millième du diamètre d'un cheveu. A ces dimensions, matériaux ordinaires tels que les métaux, céramique, et les verres ont des propriétés assez différentes de leurs homologues à grande échelle. De nombreux matériaux deviennent 10 fois plus résistants. Certains deviennent tolérants aux dommages. Le verre se brise très facilement dans notre monde, par exemple, mais à l'échelle nanométrique, certains verres deviennent déformables et moins cassants. Nous essayons d'exploiter ces soi-disant effets de taille pour créer des "méta-matériaux" qui affichent ces propriétés à des échelles que nous pouvons voir.

Nous pouvons fabriquer pratiquement n'importe quelle structure que nous aimons à l'aide d'un instrument spécial qui ressemble à une micro-imprimante de table, mais utilise des impulsions laser pour "écrire" une structure tridimensionnelle dans une minuscule gouttelette d'un polymère. Le laser "fixe" le polymère dans notre conception tridimensionnelle, créant un minuscule échafaudage en plastique. Nous rincons le polymère non durci et mettons notre échafaudage dans une autre machine qui l'enveloppe essentiellement dans un très fin, ruban de quelques nanomètres d'épaisseur de ce qui nous intéresse réellement :un métal, un semi-conducteur, ou un matériau biocompatible. Ensuite, nous nous débarrassons du plastique, laissant juste la structure tubulaire creuse entrelacée. La structure finale est creuse, et ça ne pèse rien. C'est à 99,9% d'air.

Nous pouvons même faire des structures imbriquées dans d'autres structures. Nous avons récemment commencé à fabriquer des nanotrusses hiérarchiques - des fermes construites à partir de fermes plus petites, comme une fractale.

Q :Jusqu'où pouvez-vous faire ces choses ? et où cela peut-il nous mener ?

R : En ce moment, la plupart d'entre eux mesurent environ 100 x 100 x 100 microns cubes. Un micron est un millionième de mètre, donc c'est très petit. Et les cellules unitaires, les blocs de construction individuels, sont très, très petit—quelques microns chacun. J'ai récemment demandé à mes étudiants diplômés de créer une démo suffisamment grande pour être visible, pour que je puisse le montrer lors de séminaires. Ils m'ont écrit un objet d'environ 6 millimètres sur 6 millimètres sur environ 100 microns de haut. Il leur a fallu environ une semaine juste pour écrire le polymère, peu importe le dépôt du ruban et toutes les autres étapes.

La pièce de démonstration ressemble à un petit carré blanc du haut, jusqu'à ce que vous le teniez à la lumière. Puis un arc-en-ciel de couleurs joue sur sa surface, et il ressemble à une belle opale. C'est parce que les nano-réseaux et les opales sont tous deux des cristaux photoniques, ce qui signifie que leurs cellules unitaires sont de la bonne taille pour interagir avec la lumière. Les cristaux photoniques synthétiques tridimensionnels sont relativement difficiles à fabriquer, mais ils pourraient être extrêmement utiles en tant que commutateurs à grande vitesse pour les réseaux à fibre optique.

Notre objectif est de trouver un moyen de produire en masse des nanostructures suffisamment grandes pour être vues. Les possibilités sont infinies. Vous pourriez faire une lentille de contact souple qui ne peut pas être déchirée, par exemple. Ou un très léger, matériau biocompatible très sûr qui pourrait entrer dans le corps de quelqu'un comme un échafaudage sur lequel faire croître des cellules. Ou vous pouvez utiliser des semi-conducteurs pour construire des circuits logiques 3-D. Nous travaillons avec le professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux Andrei Faraon [BS '04] pour essayer de comprendre comment écrire simultanément tout un tas de choses qui font toutes 1 centimètre sur 1 centimètre.

Q :Comment êtes-vous entré dans ce métier ? Qu'est-ce qui vous a commencé?

A : Quand je suis arrivé à Caltech, Je travaillais sur des nanopiliers métalliques. C'était mon pain et mon beurre. Les nanopiliers mesurent environ 50 nanomètres à 1 micron de diamètre, et environ trois fois plus grand que leur largeur. Ils étaient ce que nous avions l'habitude de démontrer, par exemple, ce petit devient plus fort - les piliers étaient plus forts que le métal en vrac d'un ordre de grandeur, ce qui n'a pas de quoi rire.

Les nanopiliers sont géniaux, mais vous ne pouvez rien construire à partir d'eux. Et donc je me suis toujours demandé si je pouvais utiliser quelque chose comme eux comme nano-LEGO et construire des objets plus gros, comme une nano-Tour Eiffel. La question que je me suis posée était de savoir si chaque composant individuel avait cela très, très haute résistance, la structure entière serait-elle incroyablement solide ? C'était toujours dans mon esprit. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.