Dans la nature, il est courant de trouver des structures combinant à la fois des matériaux mous et durs. Ces structures sont responsables de diverses propriétés mécaniques et fonctions des systèmes biologiques. À titre d'exemple typique, la colonne vertébrale humaine possède une alternance d'os durs et de disques intervertébraux mous, ce qui constitue une architecture essentielle qui soutient le corps humain tout en maintenant sa flexibilité.

Imiter la structure souple-dure de la nature peut, en principe, inspirer la conception de matériaux et de dispositifs artificiels, tels que des actionneurs et des robots. Cependant, la réalisation de ces structures s'est avérée extrêmement difficile, en particulier à l'échelle microscopique, où l'intégration et la manipulation des matériaux deviennent extrêmement moins pratiques.

Dans le but de faire progresser les matériaux biomimétiques à l'échelle micrométrique, l'équipe de recherche dirigée par le Dr Yufeng Wang du Département de chimie de l'Université de Hong Kong (HKU) a développé une nouvelle méthode pour créer des superstructures micrométriques, appelées MicroSpine, qui possèdent à la fois des propriétés souples et des matériaux durs qui imitent la structure de la colonne vertébrale et peuvent agir comme des microactionneurs dotés de propriétés de transformation de forme. Cette avancée, publiée dans Science Advances , a été réalisé grâce à l'assemblage colloïdal, un processus simple dans lequel les nano et microparticules s'organisent spontanément en modèles spatiaux ordonnés.

De nombreux organismes biologiques, allant des mammifères aux arthropodes et micro-organismes, contiennent des structures de composants mous et durs intégrés de manière synergique. Ces structures existent en différentes longueurs, du micromètre au centimètre, et représentent les fonctions mécaniques caractéristiques des systèmes biologiques. Ils ont également stimulé la création de matériaux et de dispositifs artificiels, tels que des actionneurs et des robots, qui changent de forme, se déplacent ou s'actionnent en fonction de signaux externes.

Bien que les structures souples-dures soient faciles à fabriquer à l’échelle macro (millimétrique et supérieure), elles sont beaucoup plus difficiles à réaliser à l’échelle micrométrique (micromètre et inférieure). En effet, il devient de plus en plus difficile d’intégrer et de manipuler des composants mécaniquement distincts à plus petite échelle. Les méthodes de fabrication traditionnelles, telles que la lithographie, se heurtent à plusieurs limites lorsqu'elles tentent de créer des composants à petite échelle à l'aide de stratégies descendantes. Par exemple, un faible rendement peut survenir parce que les processus de fabrication à petite échelle sont plus complexes et nécessitent une plus grande précision, ce qui peut augmenter le risque de défauts et d'erreurs dans le produit final.

Pour relever ce défi, le Dr Wang et son équipe ont adopté une approche différente, appelée assemblage colloïdal. Les colloïdes sont de minuscules particules 1/100 de la taille d’un cheveu humain et peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux. Lorsqu'elles sont correctement conçues, les particules peuvent interagir les unes avec les autres, s'assemblant spontanément en superstructures ordonnées.

En tant que méthode ascendante, l’assemblage colloïdal est avantageux pour fabriquer des structures à micro-échelle car il permet un contrôle précis de la création des structures souhaitées à partir de divers éléments de base, possédant un rendement plus élevé. Pourtant, la difficulté est de savoir comment guider les particules pour qu'elles s'assemblent jusqu'à la structure molle-dure souhaitée.

En utilisant la colonne vertébrale comme base de conception, l’équipe a inventé de nouvelles particules dérivées de structures organométalliques (MOF), un matériau émergent capable de s’assembler avec une directionnalité et une spécificité élevées. Étant également le composant dur, ces particules MOF peuvent se combiner avec des gouttelettes de liquide molles pour former des chaînes linéaires. Les composants durs et mous occupent des positions alternées dans la chaîne, imitant la structure de la colonne vertébrale, c'est-à-dire la MicroSpine.

"Nous introduisons également un mécanisme par lequel le composant mou de la chaîne peut se dilater et se rétrécir lorsque MicroSpine est chauffé ou refroidi, de sorte qu'il puisse changer de forme de manière réversible", a expliqué Dengping Lyu, le premier auteur de l'article, ainsi que le professeur. D. Candidat au Département de Chimie de HKU.

À l’aide du système MicroSpine, l’équipe a également démontré divers modes d’actionnement précis lorsque les parties molles de la chaîne sont modifiées de manière sélective. De plus, les chaînes ont été utilisées pour l'encapsulation et la libération d'objets invités, uniquement contrôlées par la température.

La réalisation de ces fonctions est importante pour le développement futur du système, car elle pourrait conduire à la création de microrobots intelligents capables d'effectuer des tâches sophistiquées à l'échelle microscopique, telles que l'administration de médicaments, la détection localisée et d'autres applications. Les composants microscopiques hautement uniformes et structurés avec précision pourraient être utilisés pour créer des systèmes d'administration de médicaments ou des capteurs plus efficaces, capables de détecter des molécules spécifiques avec une sensibilité et une précision élevées.

L’équipe de recherche estime que cette technologie représente une étape importante vers la création de dispositifs et de machines complexes à l’échelle microscopique. Selon le Dr Wang, « Si vous pensez aux machines modernes telles que les voitures, elles sont assemblées par des dizaines de milliers de pièces différentes. Nous visons à atteindre le même niveau de complexité en utilisant différentes pièces colloïdales. » En s'inspirant de la nature, l'équipe de recherche espère concevoir davantage de systèmes biomimétiques capables d'effectuer des tâches complexes à l'échelle microscopique et au-delà.

Plus d'informations : Dengping Lyu et al, Superstructures thermosensibles biomimétiques par co-assemblage colloïdal mou et dur, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adh2250

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Fourni par l'Université de Hong Kong