Influence du modèle LC sur la morphologie et l'organisation des nanofibres. (A à D) La colonne de gauche montre des micrographies optiques (vue de dessus, polaires croisées) des modèles LC ; les encarts sont des illustrations schématiques (vue latérale) de l'ordre moléculaire dans les modèles LC. Les deux colonnes de droite montrent des images SEM de nanofibres modélisées à partir des LC. (A) Film nématique de E7 avec ancrage hybride et nanofibres en forme de banane résultantes. (B) Film orienté homéotrope d'une phase smectique A LC et les nanostructures polymères résultantes. (C) Micrographie montrant la phase LC cholestérique de E7 dopée avec un dopant chiral gaucher (S-811). Les images SEM dans les colonnes du milieu et de droite montrent des nanofibres modélisées à partir de E7 contenant des dopants gauchers (S-811) et droitiers (R-811), respectivement. Les flèches noires et bleues dans l'encart indiquent l'axe hélicoïdal et le sens manuel de la torsion, respectivement. (D) LC en phase bleue (BP1) avec un espacement de réseau cubique de ~ 250 nm et la nanostructure polymère résultante. L'encart dans la colonne d'extrême droite montre un faisceau de nanofibres hélicoïdales. Crédit: Science (2018). DOI :10.1126/science.aar8449
Inspiré par les caractéristiques extraordinaires de la fourrure d'ours polaire, feuilles de lotus et pieds de gecko, les chercheurs en ingénierie ont développé une nouvelle façon de fabriquer des matrices de nanofibres qui pourraient nous apporter des revêtements collants, répulsif, isolant ou luminescent, entre autres possibilités.
"C'est tellement éloigné de tout ce que j'ai jamais vu que j'aurais pensé que c'était impossible, " a déclaré Jörg Lahann, professeur de génie chimique à l'Université du Michigan et auteur principal de l'étude dans la revue Science .
Des chercheurs de l'UM et de l'Université du Wisconsin ont fait la découverte quelque peu fortuite, qui a révélé une méthode nouvelle et puissante pour fabriquer des réseaux de fibres des centaines de fois plus minces qu'un cheveu humain.
Les poils d'ours polaire sont structurés pour laisser entrer la lumière tout en empêchant la chaleur de s'échapper. Les feuilles de lotus hydrofuges sont recouvertes de réseaux de tubules cireux microscopiques. Et les poils à l'échelle nanométrique au bas des pieds de gecko défiant la gravité se rapprochent si près d'autres surfaces que les forces d'attraction atomiques entrent en jeu. Les chercheurs cherchant à imiter ces superpuissances et plus encore ont eu besoin d'un moyen de créer les minuscules réseaux qui font le travail.
"Fondamentalement, c'est une façon complètement différente de fabriquer des matrices de nanofibres, " a déclaré Lahann.
Les chercheurs ont montré que leurs nanofibres repoussaient l'eau comme les feuilles de lotus. Ils ont fait pousser des fibres droites et incurvées et testé leur adhérence comme du velcro, trouvant que les fibres torsadées dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre se tricotaient plus étroitement que deux rangées de fibres droites.
Ils ont également expérimenté les propriétés optiques, faire un matériau qui brillait. Ils croient qu'il sera possible de faire une structure qui fonctionne comme la fourrure d'ours polaire, avec des fibres individuelles structurées pour canaliser la lumière.
Mais les tapis moléculaires n'étaient pas le plan initial. Le groupe de Lahann travaillait avec celui de Nicholas Abbott, à l'époque professeur de génie chimique à l'UW-Madison, mettre des films minces de molécules en forme de chaîne, appelés polymères, au-dessus des cristaux liquides. Les cristaux liquides sont surtout connus pour leur utilisation dans les écrans tels que les téléviseurs et les écrans d'ordinateur. Ils essayaient de fabriquer des capteurs capables de détecter des molécules uniques.
Lahann a apporté son expertise dans la production de films minces tandis qu'Abbott a dirigé la conception et la production des cristaux liquides. Dans des expériences typiques, Le groupe de Lahann évapore des maillons simples de la chaîne et les amène à se condenser sur les surfaces. Mais les films polymères minces ne se sont parfois pas matérialisés comme prévu.
"La découverte renforce mon point de vue selon lequel les meilleures avancées en science et en ingénierie se produisent lorsque les choses ne se passent pas comme prévu, " a déclaré Abbott. " Il suffit d'être vigilant et de considérer les expériences ratées comme des opportunités. "
Au lieu de recouvrir le dessus du cristal liquide, les maillons glissaient dans le fluide et se connectaient les uns aux autres sur la lame de verre. Le cristal liquide a ensuite guidé les formes des nanofibres qui se sont développées par le bas, créer des tapis à l'échelle nanométrique.
« Un cristal liquide est un fluide relativement désordonné, pourtant, il peut modéliser la formation de nanofibres avec des longueurs et des diamètres remarquablement bien définis, ", a déclaré Abbott.
Et ils ne faisaient pas que des mèches droites. Selon le cristal liquide, ils pourraient générer des fibres courbes, comme des bananes microscopiques ou des escaliers.
"Nous avons beaucoup de contrôle sur la chimie, le type de fibres, l'architecture des fibres et comment nous les déposons, " Lahann a déclaré. "Cela ajoute vraiment beaucoup de complexité à la façon dont nous pouvons maintenant concevoir des surfaces; pas seulement avec des films minces en deux dimensions, mais en trois dimensions."
L'étude s'intitule "Synthèse de nanofibres modélisée par polymérisation chimique en phase vapeur dans des films cristallins liquides".
