Dans la nature, les requins nagent à grande vitesse dans les profondeurs de l'océan en raison de leur grande capacité de réduction de la traînée. Les flux d’eau autour de la peau de requin sont perturbés par des structures microscopiques décalées et superposées appelées denticules. En plus de cette rugosité de surface, l'eau glisse à une interface fluide-solide avec de multiples microriblets en forme de rainures sur les microdenticules individuels.

De plus, la peau de requin présente une résistance élevée à la pénétration en raison de sa structure quadricouche allant de l’émail au derme. Il existe des dégradés mécaniques en couches dur sur doux de l'extérieur vers l'intérieur de la peau de requin.

Cette peau de requin unique et fonctionnelle trouvée dans la nature motive cette étude, publiée dans Advanced Materials. , le premier à microfabriquer des microdenticules superposés en trois dimensions (3D) avec des microriblets pointus. La peau de requin artificielle 3D a pu atteindre de multiples fonctionnalités en imitant les caractéristiques morphologiques et matérielles de la peau de requin naturelle.

De nombreuses études antérieures ont été menées pour développer une peau de requin artificielle qui imite la peau de requin naturelle avec des avantages fonctionnels. Cependant, il a été difficile de former une morphologie superposée en 3D tout en conservant la forme des microriblets sur les microdenticules. La déformation thermique indésirable continue d'être un problème pour les microdenticules à base de polymère disposés périodiquement avec un espacement étroit.

Pour résoudre ce problème, Wie et ses collègues ont fabriqué des microdenticules à texture côtelée en utilisant un composite de particules magnétiques et de polymères élastomères. Ensuite, les microdenticules 3D ont été amenés à se plier jusqu'à ce qu'ils se chevauchent sous un champ magnétique externe.

Bien qu'il s'agisse d'un concept intéressant, il est nécessaire de corriger la forme de ce chevauchement magnétique pour fonctionnaliser la peau de requin sous la suppression du champ magnétique. "Nous avons récemment développé une stratégie chimique de fixation de forme pour fabriquer des peaux de requin 3D superposées et décalées", a déclaré Jeong Jae Wie, professeur au Département d'ingénierie organique et nano de l'Université de Hanyang.

"Les microdenticules doivent être actionnés dans le sens inverse pour recouvrir une fine couche de résine liquide de polymère sur la peau de requin. Après avoir modifié l'actionnement dans le sens avant, une fine couche de polymère est durcie, complétant ainsi la microfabrication d'une peau de requin artificielle 3D avec un chevauchement magnétique immobilisé. ", a déclaré Jeong Eun Park, l'un des premiers auteurs de l'étude publiée.

"Un point unique de ce travail est la capacité de leur peau de requin artificielle 3D à démontrer de multiples fonctionnalités alors que d'autres études n'ont pu documenter qu'une ou deux caractéristiques", a déclaré Seung Goo Lee, collaborateur de Wie, de l'Université d'Ulsan.

L’équipe de recherche a d’abord montré la réduction de la traînée, une fonctionnalité représentative de la peau de requin naturelle. La peau de requin artificielle 3D hydrophobe réduit la traînée lorsque l'eau s'écoule dans la direction frontale des microriblets.

"Dans notre peau de requin hydrophobe, des bulles d'air de taille micrométrique sont piégées entre des microdenticules superposés, provoquant le glissement d'une couche d'eau sur les bulles d'air", a ajouté le collaborateur de Wie, Rhokyun Kwak de l'Université de Hanyang.

En plus de cette fonctionnalité de réduction de la traînée, leur peau de requin artificielle 3D présente un faible frottement lors du grattage de l'échantillon dans la direction frontale et une robustesse mécanique élevée avec récupération structurelle, grâce à l'architecture de microdenticules superposés et décalés.

"Il est intéressant de noter que ces fonctionnalités pourraient être améliorées en recouvrant la peau de requin à base de polymère, mécaniquement douce, d'une fine couche nanométrique de matériau mécaniquement cassant. Ce concept est motivé par la structure en couches dure sur molle de la peau de requin naturelle", a ajouté Wie. P>

"En règle générale, un film mécaniquement souple présente une friction de surface élevée contre le contact avec les obstacles environnants. Cependant, dans ce travail, le coefficient de friction diminue lors du revêtement de la peau de requin avec une fine céramique, car des caractéristiques dures et flexibles coexistent sur cette peau de requin à trois couches", a expliqué Wie. collaborateur, Sanha Kim de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée.

Par la suite, l’équipe de Wie a recouvert la peau de requin à trois couches d’un mince métal. Lors d'un test d'indentation, la peau de requin à quatre couches a présenté une dureté et un travail de récupération améliorés, par rapport à la peau de requin polymère non revêtue. En particulier dans le domaine de la récupération structurelle, "le travail récupérable peut être stocké dans les microdenticules courbés tandis que les fines couches de matériaux mécaniquement fragiles peuvent améliorer l'énergie de déformation élastique de la peau de requin artificielle 3D", a ajouté Kim.

De plus, pour les applications électroniques microtexturées, lorsque la peau de requin à base de polymère est recouverte d'un matériau MXene électriquement conducteur, elle présente une faible résistance électrique de 5,3 Ω.

"La peau de requin enduite de MXène permet un chauffage par effet Joule à haute température même lorsqu'une basse tension est appliquée (par exemple, 230°C à 2,75 V). De plus, en raison de l'hydrophilie du matériau MXène, les propriétés mouillantes de la peau de requin passent également d'hydrophobe à hydrophile. ", a déclaré le collaborateur de Wie, Tae Hee Han de l'Université de Hanyang.

"Cette recherche est la première à rendre compte des multiples fonctionnalités démontrables de la peau de requin artificielle 3D, avec de nombreuses applications potentielles dans divers domaines", a déclaré Lee. Par exemple, si la technologie de cette peau de requin artificielle multifonctionnelle devait être utilisée dans l'industrie du transport maritime, une efficacité économique pourrait être générée en réduisant la consommation de carburant et en augmentant la durée de vie du navire.

"En ce qui concerne les applications futures, les navires équipés de notre peau de requin artificielle 3D devraient naviguer rapidement avec une traînée réduite, moins de friction au contact des obstacles environnants et moins de dommages dus aux impacts externes dans l'océan", a ajouté Wie.

Plus d'informations : Jeong Eun Park et al, Programmation de la fonctionnalité anisotrope des microdenticules 3D par des microarchitectures décalées et multicouches, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202309518

Informations sur le journal : Matériaux avancés

Fourni par l'Université de Hanyang