Un nouveau procédé développé à Caltech permet pour la première fois de fabriquer de grandes quantités de matériaux dont la structure est conçue à l'échelle nanométrique, la taille de la double hélice de l'ADN.

Initié par la scientifique des matériaux de Caltech Julia R. Greer, « matériaux nanoarchitecturés » exposent des objets insolites, propriétés souvent surprenantes - par exemple, des céramiques exceptionnellement légères qui reprennent leur forme d'origine, comme une éponge, après avoir été compressé. Ces propriétés pourraient être souhaitables pour des applications allant des capteurs tactiles ultrasensibles aux batteries avancées, mais si loin, les ingénieurs n'ont pu les créer qu'en quantités très limitées. Pour créer un matériau dont la structure est conçue à si petite échelle, ils doivent souvent être assemblés nano-couche par nano-couche dans un processus d'impression 3D qui utilise un laser de haute précision et des produits chimiques synthétisés sur mesure. Ce processus minutieux limite la quantité globale de matériau qui peut être construit.

Maintenant, une équipe d'ingénieurs de Caltech et de l'ETH Zurich a développé un matériau conçu à l'échelle nanométrique mais qui s'assemble lui-même, sans avoir besoin d'un assemblage laser de précision. Pour la première fois, ils ont pu créer un échantillon de matériau nanoarchitecturé à l'échelle du centimètre cube.

« Nous ne pouvions pas imprimer en 3D autant de matériaux nanoarchitecturés même en un mois ; au lieu de cela, nous sommes capables de le faire croître en quelques heures, " dit Carlos Portela, chercheur postdoctoral à Caltech et auteur principal d'une étude sur le nouveau processus qui a été publiée par la revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) le 2 mars.

A l'échelle nanométrique, le matériau ressemble à une éponge mais est en fait un assemblage de coques incurvées interconnectées. C'est la clé des rapports rigidité et résistance/poids élevés du matériau :les coques minces et légèrement incurvées, comme ceux d'un œuf, sont exempts de coins ou de jonctions, qui sont généralement des points faibles conduisant à la défaillance d'autres matériaux similaires. Cela offre des avantages mécaniques uniques avec un minimum de matériau réellement utilisé. En test, un échantillon du matériau a pu atteindre des rapports résistance/densité comparables à certaines formes d'acier, tandis que les configurations à parois plus minces présentent des dommages et une récupération négligeables après une compression répétée.

« Cette nouvelle voie de fabrication, étayé par l'analyse expérimentale et numérique que nous avons menée, nous rapproche un peu plus de la possibilité de produire des matériaux nanoarchitecturés à une échelle utile, avec une facilité de fabrication marquée, " dit Greer, le professeur Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, Mécanique, et Medical Engineering et co-auteur de l'article PNAS.

Bien qu'il soit sensiblement plus résistant que pratiquement tous les matériaux nano-architecturés avec des densités similaires synthétisés par le groupe Greer, ce qui rend ces matériaux dits nano-labyrinthiques particulièrement particuliers, c'est qu'ils s'assemblent eux-mêmes. Cette réalisation, dirigé par Daryl Yee, étudiant diplômé de Caltech, fonctionne comme ceci :deux matériaux qui ne se dissolvent pas l'un dans l'autre sont mélangés, les mélanger pour créer un état désordonné. Le chauffage du mélange polymérise les matériaux de sorte que la géométrie actuelle se verrouille en place. L'un des deux matériaux est ensuite retiré, laissant des coquilles nanométriques. Le gabarit poreux résultant est ensuite enduit, puis le deuxième polymère est éliminé. Ce qui reste est un réseau nano-shell léger.

Le processus nécessite une extrême précision; si mal chauffé, la microstructure fondra ou s'effondrera et ne conduira pas à des coques interconnectées. Mais pour la première fois, l'équipe voit le potentiel d'étendre la nanoarchitecture.

« Il est passionnant de voir nos architectures nanométriques optimales conçues par ordinateur être réalisées expérimentalement en laboratoire, " dit Dennis M. Kochmann, auteur correspondant de l'article PNAS et professeur de mécanique et des matériaux à l'ETH Zurich et associé invité en aérospatiale à Caltech. Son équipe, dont l'ancien étudiant diplômé de Caltech A. Vidyasagar et Sebastian Krödel et Tamara Weissenbach de l'ETH Zurich, a prédit les propriétés polyvalentes des matériaux nano-labyrinthiques à travers la théorie et des simulations.

Prochain, l'équipe prévoit d'étendre l'accordabilité et la polyvalence du processus en explorant des voies pour contrôler soigneusement la microstructure, développer les options de matériaux pour les nano-coques, et pousser pour la production de plus grands volumes de la matière.

L'article s'intitule "Résilience mécanique extrême des matériaux nano-labyrinthiques auto-assemblés".