Une nouvelle méthode permet de produire des matériaux solides et légers avec des propriétés de surface spécifiques.
Le nouveau procédé mis au point par John Hart et d'autres chercheurs du MIT peut produire des tableaux de forme 3D, à base de nanotubes de carbone. Dans cet exemple, tous les nanotubes sont alignés en courbe dans le même sens. Illustration MIT
Une équipe de chercheurs a créé une nouvelle façon de fabriquer des surfaces microstructurées qui possèdent des textures nouvelles en trois dimensions. Ces surfaces, fabriquées par auto-assemblage de nanotubes de carbone, peuvent présenter une variété de propriétés utiles comme la rigidité et la résistance mécanique contrôlable, ou la capacité à repousser l'eau dans une certaine direction.
"Nous avons démontré que les forces mécaniques peuvent être utilisés en nanostructures directes pour former des microstructures tridimensionnelles complexes, et qu'on peut contrôler indépendamment les propriétés mécaniques des microstructures," déclare John A. Hart, professeur agrégé de génie mécanique au MIT et auteur principal d'un article décrivant la nouvelle technique dans la revue
Nature Communications.
La technique fonctionne par fabrication de nanotubes de carbone qui se courbent à mesure qu'ils grandissent. Le mécanisme est analogue à la flexion d'un bilame, utilisé comme contrôle dans les vieux thermostats, quand il chauffe un matériau une lame se dilate plus vite que l'autre qui est reliée à elle. Mais, dans ce nouveau procédé, les courbures sont plus importantes car la déformation est produite par une réaction chimique.
Le processus commence par l'impression de deux motifs sur un substrat: l'un est un catalyseur de nanotubes de carbone, le second matériau modifie le taux de croissance des nanotubes. En décalant les deux modèles, les chercheurs ont montré que les nanotubes peuvent se plier dans des formes prévisibles quand ils s'allongent.
"Nous pouvons spécifier ces instructions simples en deux dimensions, et fabriquer des nanotubes constituant des formes complexes en trois dimensions", déclare Hart, où des nanotubes adjacents croissent dans des proportion différentes, "ils poussent et tirent l'un sur l'autre," produisant des formes plus complexes, explique Hart. "C'est un nouveau principe de l'utilisation de la mécanique pour contrôler la croissance d'un matériau nanostructuré," dit-il.
Peu de procédés de fabrication à haut débit peuvent atteindre une telle flexibilité dans la création de structures tridimensionnelles, dit Hart. , il ajoute que cette technique est intéressante, car elle peut être utilisée pour créer de grandes étendues de structures simultanément; la forme de chaque structure peut être spécifiée par la conception du modèle de départ. Hart explique que la technique pourrait aussi permettre le contrôle d'autres propriétés, telles que la conductivité électrique, thermique et de la réactivité chimique, en joignant divers revêtements pour les nanotubes de carbone après leur expansion.
"Si vous recouvrez les structures après le processus de croissance, vous pouvez finement modifier leurs propriétés", annonce Hart. Par exemple, l'enrobage des nanotubes de carreaux de céramique, en utilisant une méthode appelée dépôt de couche atomique, permet de contrôler les propriétés mécaniques des structures "Quand une couche épaisse est déposée, nous avons une surface avec une rigidité et une solidité exceptionnelles par rapport à sa densité", explique Hart. "Quand un revêtement mince est déposé, les structures sont très souples et élastiques."
"Cette approche peut également permettre une réplication très fidèle des structures complexes trouvées sur les peaux de certaines plantes et animaux", dit Hart, et pourrait permettre de produire en masse des surfaces avec des caractéristiques spécialisées, telles que les capacités hydrofuges ou adhésives de certains insectes. "Nous sommes intéressés par le contrôle de ces propriétés fondamentales en utilisant des techniques de fabrication évolutives", déclare Hart.
Hart explique que les surfaces ont la durabilité de nanotubes de carbone, qui pourraient leur permettre de survivre dans des environnements difficiles, et peuvent être reliées à des composants électroniques et fonctionner comme des capteurs de signaux mécaniques ou chimiques.
Kevin Turner, professeur agrégé de génie mécanique et de mécanique appliquée à l'Université de Pennsylvanie, qui n'a pas participé à cette recherche, explique : "cette approche est tout à fait nouvelle, car elle permet l'ingénierie des microstructures complexes en 3D composées de nanotubes de carbone. La micro-fabrication traditionnelle, telles que la structuration et la gravure, ne permettent généralement que la fabrication de simples structures 3D qui sont essentiellement extrudés de modèles 2D".
Turner ajoute: "Un aspect particulièrement intéressant de ce travail est que les structures sont composées de nanotubes de carbone, qui ont des propriétés mécaniques, thermiques et électriques souhaitables".