À la fin de l'année dernière, des chercheurs de Caltech ont révélé qu'ils avaient développé une nouvelle technique de fabrication pour imprimer des pièces métalliques de taille micrométrique contenant des éléments aussi épais que trois ou quatre feuilles de papier.

Aujourd’hui, l’équipe a réinventé la technique pour permettre d’imprimer des objets mille fois plus petits :150 nanomètres, ce qui est comparable à la taille d’un virus de la grippe. Ce faisant, l'équipe a également découvert que les arrangements atomiques au sein de ces objets sont désordonnés, ce qui, à grande échelle, rendrait ces matériaux inutilisables car ils seraient considérés comme faibles et de « mauvaise qualité ». Cependant, dans le cas d'objets métalliques de taille nanométrique, ce désordre au niveau atomique a l'effet inverse :ces pièces peuvent être trois à cinq fois plus résistantes que des structures de taille similaire avec des arrangements atomiques plus ordonnés.

Les travaux ont été menés dans le laboratoire de Julia R. Greer, professeure Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, de mécanique et de génie médical ; et directeur de la Fondation Fletcher Jones du Kavli Nanoscience Institute. L'article décrivant le travail, "Suppressed Size Effect in Nanopillars with Hierarchical Microstructures Enabled by Nanoscale Additive Manufacturing", est publié dans le numéro d'août de Nano Letters. .

La nouvelle technique est similaire à une autre annoncée par l’équipe l’année dernière, mais avec chaque étape du processus réinventée pour fonctionner à l’échelle nanométrique. Cependant, cela présente un défi supplémentaire :les objets fabriqués ne sont ni visibles à l'œil nu ni facilement manipulables.

Le processus commence par la préparation d'un « cocktail » photosensible composé en grande partie d'un hydrogel, une sorte de polymère capable d'absorber plusieurs fois son propre poids en eau. Ce cocktail est ensuite durci sélectivement au laser pour construire un échafaudage 3D ayant la même forme que les objets métalliques souhaités. Dans cette recherche, ces objets étaient une série de minuscules piliers et nano-réseaux.

Les parties d'hydrogel sont ensuite infusées avec une solution aqueuse contenant des ions nickel. Une fois que les pièces sont saturées d'ions métalliques, elles sont cuites jusqu'à ce que tout l'hydrogel soit brûlé, laissant les pièces dans la même forme que l'original, bien que rétrécies, et constituées entièrement d'ions métalliques maintenant oxydés (liés aux atomes d'oxygène). Lors de la dernière étape, les atomes d'oxygène sont chimiquement éliminés des pièces, reconvertissant l'oxyde métallique en une forme métallique.

Dans la dernière étape, les pièces développent leur force inattendue.

"Tous ces processus thermiques et cinétiques se produisent simultanément au cours de ce processus et conduisent à une microstructure très, très désordonnée", dit-elle. "Vous voyez des défauts comme des pores et des irrégularités dans la structure atomique, qui sont généralement considérés comme des défauts détériorant la résistance. Si vous deviez construire quelque chose en acier, par exemple un bloc moteur, vous ne voudriez pas voir ce type de microstructure. car cela affaiblirait considérablement le matériau."

Cependant, Greer dit qu’ils ont trouvé exactement le contraire. Les nombreux défauts qui affaibliraient une pièce métallique à plus grande échelle renforcent plutôt les pièces à l'échelle nanométrique.

Lorsqu'un pilier ne présente aucun défaut, la défaillance se produit de manière catastrophique le long de ce que l'on appelle la limite des grains, l'endroit où les cristaux microscopiques qui composent le matériau se heurtent les uns aux autres.

Mais lorsque le matériau est plein de défauts, une rupture ne peut pas facilement se propager d’un joint de grain à l’autre. Cela signifie que le matériau ne se brisera pas soudainement car la déformation sera répartie plus uniformément dans tout le matériau.

"Habituellement, le support de déformation dans les nanopiliers métalliques, c'est-à-dire une luxation ou un glissement, se propage jusqu'à ce qu'il puisse s'échapper à la surface externe", explique Wenxin Zhang, auteur principal des travaux et étudiant diplômé en génie mécanique. "Mais en présence de pores intérieurs, la propagation se terminera rapidement à la surface d'un pore au lieu de se poursuivre tout au long du pilier. En règle générale, il est plus difficile de nucléer un porteur de déformation que de le laisser se propager", expliquant pourquoi les piliers actuels peuvent être plus solides que leurs homologues."

Greer pense qu'il s'agit de l'une des premières démonstrations d'impression 3D de structures métalliques à l'échelle nanométrique. Elle note que le processus pourrait être utilisé pour créer de nombreux composants utiles, tels que des catalyseurs pour l'hydrogène ; électrodes de stockage pour ammoniac sans carbone et autres produits chimiques ; et des parties essentielles d'appareils tels que des capteurs, des microrobots et des échangeurs de chaleur.

"Au début, nous étions inquiets", dit-elle. "Nous avons pensé :"Oh mon Dieu, cette microstructure ne mènera jamais à rien de bon", mais apparemment, nous n'avions aucune raison de nous inquiéter car il s'avère que ce n'est même pas un préjudice. C'est en fait une fonctionnalité."

Plus d'informations : Wenxin Zhang et al, Effet de taille supprimé dans les nanopillaires avec des microstructures hiérarchiques activées par la fabrication additive à l'échelle nanométrique, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c02309

Informations sur le journal : Lettres nano

Fourni par l'Institut de technologie de Californie