Les ingénieurs du MIT ont uni les principes de l'auto-assemblage et de l'impression 3D à l'aide d'une nouvelle technique, qu'ils mettent en avant aujourd'hui dans la revue Matériaux avancés .

Par leur procédé d'assemblage colloïdal à écriture directe, les chercheurs peuvent construire des cristaux d'un centimètre de haut, chacun composé de milliards de colloïdes individuels, définies comme des particules d'un diamètre compris entre 1 nanomètre et 1 micromètre.

"Si vous faites exploser chaque particule à la taille d'un ballon de football, ce serait comme empiler tout un tas de ballons de football pour faire quelque chose d'aussi grand qu'un gratte-ciel, " déclare le co-auteur de l'étude Alvin Tan, un étudiant diplômé du Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. "C'est ce que nous faisons à l'échelle nanométrique."

Les chercheurs ont trouvé un moyen d'imprimer des colloïdes tels que des nanoparticules de polymère dans des arrangements très ordonnés, similaire aux structures atomiques des cristaux. Ils ont imprimé diverses structures, comme de minuscules tours et hélices, qui interagissent avec la lumière de manière spécifique en fonction de la taille des particules individuelles au sein de chaque structure.

L'équipe considère la technique d'impression 3D comme une nouvelle façon de construire des matériaux auto-assemblés qui tirent parti des nouvelles propriétés des nanocristaux, à plus grande échelle, tels que les capteurs optiques, écrans couleur, et l'électronique guidée par la lumière.

"Si vous pouviez imprimer en 3D un circuit qui manipule des photons au lieu d'électrons, qui pourraient ouvrir la voie à de futures applications en informatique basée sur la lumière, qui manipulent la lumière au lieu de l'électricité afin que les appareils puissent être plus rapides et plus économes en énergie, " dit Tan.

Les co-auteurs de Tan sont l'étudiant diplômé Justin Beroz, professeur assistant de génie mécanique Mathias Kolle, et professeur agrégé de génie mécanique A. John Hart.

Hors du brouillard

Les colloïdes sont toutes les grosses molécules ou petites particules, mesurant généralement entre 1 nanomètre et 1 micromètre de diamètre, qui sont en suspension dans un liquide ou un gaz. Des exemples courants de colloïdes sont le brouillard, qui est constitué de suie et d'autres particules ultrafines dispersées dans l'air, et chantilly, qui est une suspension de bulles d'air dans de la crème épaisse. Les particules de ces colloïdes quotidiens sont complètement aléatoires dans leur taille et la manière dont elles sont dispersées dans la solution.

Si des particules colloïdales de taille uniforme sont entraînées ensemble par évaporation de leur solvant liquide, les amenant à s'assembler en cristaux ordonnés, il est possible de créer des structures qui, dans son ensemble, présenter une optique unique, chimique, et propriétés mécaniques. Ces cristaux peuvent présenter des propriétés similaires à des structures intéressantes dans la nature, comme les cellules irisées des ailes de papillon, et le microscopique, fibres squelettiques des éponges de mer.

Jusque là, les scientifiques ont développé des techniques pour évaporer et assembler des particules colloïdales en films minces pour former des écrans qui filtrent la lumière et créent des couleurs en fonction de la taille et de la disposition des particules individuelles. Mais jusqu'à maintenant, de tels assemblages colloïdaux ont été limités à des films minces et à d'autres structures planes.

"Pour la première fois, nous avons montré qu'il est possible de construire des matériaux colloïdaux auto-assemblés à grande échelle, et nous nous attendons à ce que cette technique puisse créer n'importe quelle forme 3D, et être appliqué à une incroyable variété de matériaux, " dit Hart, l'auteur principal de l'article.

Construire un pont de particules

Les chercheurs ont créé de minuscules tours tridimensionnelles de particules colloïdales à l'aide d'un appareil d'impression 3D sur mesure composé d'une seringue et d'une aiguille en verre, monté au-dessus de deux plaques d'aluminium chauffées. L'aiguille passe à travers un trou dans la plaque supérieure et distribue une solution colloïdale sur un substrat fixé à la plaque inférieure.

L'équipe chauffe uniformément les deux plaques d'aluminium de sorte que lorsque l'aiguille distribue la solution colloïdale, le liquide s'évapore lentement, ne laissant que les particules. La plaque inférieure peut être tournée et déplacée de haut en bas pour manipuler la forme de la structure globale, semblable à la façon dont vous pourriez déplacer un bol sous un distributeur de crème glacée molle pour créer des torsions ou des tourbillons.

Beroz dit que lorsque la solution colloïdale est poussée à travers l'aiguille, le liquide agit comme un pont, ou moule, pour les particules de la solution. Les particules « pleuvent » à travers le liquide, formant une structure en forme de courant liquide. Une fois le liquide évaporé, la tension superficielle entre les particules les maintient en place, dans une configuration ordonnée.

Comme première démonstration de leur technique d'impression colloïdale, l'équipe a travaillé avec des solutions de particules de polystyrène dans l'eau, et créé des tours et des hélices d'un centimètre de haut. Chacune de ces structures contient 3 milliards de particules. Dans les essais ultérieurs, ils ont testé des solutions contenant différentes tailles de particules de polystyrène et ont pu imprimer des tours qui reflétaient des couleurs spécifiques, en fonction de la taille des particules individuelles.

"En changeant la taille de ces particules, vous changez drastiquement la couleur de la structure, " dit Beroz. " C'est dû à la façon dont les particules sont assemblées, dans ce périodique, façon ordonnée, et l'interférence de la lumière lorsqu'elle interagit avec les particules à cette échelle. Nous imprimons essentiellement des cristaux en 3D."

L'équipe a également expérimenté des particules colloïdales plus exotiques, à savoir des nanoparticules de silice et d'or, qui peuvent présenter des propriétés optiques et électroniques uniques. Ils ont imprimé des tours d'un millimètre de haut fabriquées à partir de nanoparticules de silice de 200 nanomètres de diamètre, et des nanoparticules d'or de 80 nanomètres, chacun d'eux reflétant la lumière de différentes manières.

"Il y a beaucoup de choses que vous pouvez faire avec différents types de particules allant des particules métalliques conductrices aux points quantiques semi-conducteurs, que nous étudions, " dit Tan. "En les combinant en différentes structures cristallines et en les formant en différentes géométries pour de nouvelles architectures de dispositifs, Je pense que ce serait très efficace dans des domaines comme la détection, stockage d'Energie, et photonique."

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.