Pour la première fois, il est possible de créer des structures métalliques nanométriques complexes en utilisant l'impression 3D, grâce à une nouvelle technique développée au Caltech.

Le processus, une fois agrandi, peut être utilisé dans une grande variété d'applications, de la construction de minuscules implants médicaux à la création de circuits logiques 3D sur des puces informatiques à la conception de composants d'avions ultralégers. Il ouvre également la porte à la création d'une nouvelle classe de matériaux aux propriétés inhabituelles qui reposent sur leur structure interne. La technique est décrite dans une étude qui sera publiée dans Communication Nature le 9 février.

En impression 3D, également appelée fabrication additive, un objet est construit couche par couche, permettant la création de structures impossibles à fabriquer par des méthodes soustractives classiques telles que la gravure ou le fraisage. Julia Greer, scientifique en matériaux de Caltech, est une pionnière dans la création d'architectures 3D ultra-minces construites via la fabrication additive. Par exemple, elle et son équipe ont construit des réseaux 3D dont les faisceaux ne mesurent que quelques nanomètres de diamètre, bien trop petits pour être vus à l'œil nu. Ces matériaux présentent des propriétés inhabituelles, propriétés souvent surprenantes; L'équipe de Greer a créé des céramiques exceptionnellement légères qui reprennent leur forme d'origine, comme une éponge, après avoir été compressé.

Le groupe de Greer imprime en 3D des structures à partir de divers matériaux, de la céramique aux composés organiques. Métaux, cependant, ont été difficiles à imprimer, surtout en essayant de créer des structures avec des dimensions inférieures à environ 50 microns, ou environ la moitié de la largeur d'un cheveu humain.

La façon dont fonctionne l'impression 3D à l'échelle nanométrique est qu'un laser de haute précision zappe le liquide à des endroits spécifiques du matériau avec seulement deux photons, ou des particules de lumière. Cela fournit suffisamment d'énergie pour durcir les polymères liquides en solides, mais pas assez pour fondre le métal.

"Les métaux ne réagissent pas à la lumière de la même manière que les résines polymères que nous utilisons pour fabriquer des structures à l'échelle nanométrique, " dit Greer, professeur de science des matériaux, mécanique, et l'ingénierie médicale dans la division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech. "Il y a une réaction chimique qui se déclenche lorsque la lumière interagit avec un polymère qui lui permet de durcir puis de prendre une forme particulière. Dans un métal, ce processus est fondamentalement impossible."

Andrey Vyatskikh, étudiant diplômé de Greer, a trouvé une solution. Il a utilisé des ligands organiques - des molécules qui se lient au métal - pour créer une résine contenant principalement du polymère, mais qui emporte avec lui du métal imprimable, comme un échafaudage.

Dans l'expérience décrite dans l'article de Nature Communications, Vyatskikh a lié du nickel et des molécules organiques pour créer un liquide qui ressemble beaucoup à du sirop contre la toux. Ils ont conçu une structure à l'aide d'un logiciel informatique, puis l'a construit en zappant le liquide avec un laser à deux photons. Le laser crée des liaisons chimiques plus fortes entre les molécules organiques, en les durcissant en blocs de construction pour la structure. Étant donné que ces molécules sont également liées aux atomes de nickel, le nickel s'incorpore à la structure. De cette façon, l'équipe a pu imprimer une structure 3D qui était initialement un mélange d'ions métalliques et non métalliques, molécules organiques.

Vyatskikh a ensuite mis la structure dans un four qui l'a lentement chauffée jusqu'à 1, 000 degrés Celsius (environ 1, 800 degrés Fahrenheit) dans une chambre à vide. Cette température est bien inférieure au point de fusion du nickel (1, 455 degrés Celsius, ou environ 2, 650 degrés Fahrenheit) mais est assez chaud pour vaporiser les matières organiques dans la structure, ne laissant que le métal. Le processus de chauffage, connu sous le nom de pyrolyse, également fusionné les particules métalliques ensemble.

En outre, parce que le processus a vaporisé une quantité importante du matériau de la structure, ses dimensions ont diminué de 80 pour cent, mais il a conservé sa forme et ses proportions.

"Ce rétrécissement final explique en grande partie pourquoi nous sommes en mesure d'obtenir des structures si petites, " dit Viatskikh, auteur principal de l'article de Nature Communications. "Dans la structure que nous avons construite pour le journal, le diamètre des poutres métalliques dans la partie imprimée est d'environ 1/1000ème de la taille de la pointe d'une aiguille à coudre.

Greer et Vyatskikh peaufinent encore leur technique; à l'heure actuelle, la structure décrite dans leur article comprend des vides laissés par les matériaux organiques vaporisés ainsi que quelques impuretés mineures. Aussi, si la technique doit être utile à l'industrie, il devra être agrandi pour produire beaucoup plus de matériel, dit Greer. Bien qu'ils aient commencé avec du nickel, ils sont intéressés à étendre à d'autres métaux qui sont couramment utilisés dans l'industrie mais sont difficiles ou impossibles à fabriquer dans de petites formes 3D, comme le tungstène et le titane. Greer et Vyatskikh cherchent également à utiliser ce processus pour imprimer en 3D d'autres matériaux, à la fois commun et exotique, comme la céramique, semi-conducteurs, et les matériaux piézoélectriques (matériaux ayant des effets électriques résultant de contraintes mécaniques).