Dans un bond en avant pour la science des matériaux, une équipe de chercheurs multi-institutionnelle a développé une méthode pionnière d'impression 3D d'élastomères de cristal liquides cholestrique (CLCES), permettant des matériaux complexes et réactifs en changement de couleur et ouvrant la voie à de nouvelles applications comme les textiles intelligents et la robotique avancée.
En utilisant une méthode de pointe connue sous le nom de coaxial Direct Ink Writing (DIW), l'équipe d'ingénieurs et de scientifiques de l'Université de Pennsylvanie (Penn), de l'Université de Harvard et des structures de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a inventé les matériaux uniques et imprimés en 3D capables de modifier les couleurs de réponse à la stress. La recherche a été publiée dans la revue Matériaux avancés.
La clé de cette recherche est la CLCES, une classe unique de matériaux connus pour leurs couleurs vives et leur élasticité. Pour le dire simplement, les CLCE sont des substances souples et caoutchouteuses qui peuvent changer de couleur en fonction de leur forme et de la contrainte qui leur est appliquée. Cette propriété remarquable est due à leur capacité à manipuler la lumière, tandis que la structure moléculaire des CLCE permet la création de présentations de couleurs complexes, comme le matériau utilisé dans les anneaux d'humeur, les thermomètres d'aquarium et les planches de boogie.
L'inspiration pour cette approche inventive provient de la vision collaborative des chercheurs de Penn Alicia Ng (également stagiaire étudiante d'été de LLNL) et Shu Yang, avec des contributions des ingénieurs LLNL Elaine Lee, Katherine Riley et Caitlyn Cook Krikorian. La percée est survenue lorsqu'ils s'étaient associés aux chercheurs de Harvard Jennifer Lewis et Rodrigo Teles, proposant l'idée d'imprimer une coquille de silicone transparente pour servir d'échafaudage pour le noyau CLCE. Le voyage n'était pas sans défis, ont déclaré les chercheurs.
« Nous voulions apporter le travail (dans le laboratoire) pour avoir un matériau mécanique ou stimulé par la déformation, où le changement de couleur peut être utilisé pour la détection à distance », a expliqué Cook. « Une fois que nous avons trouvé un matériau viable, nous avons passé beaucoup de temps à affiner les conditions DIW, en particulier les taux de cisaillement, pour maintenir des couleurs vibrantes tout en assurant une fidélité imprimée pour construire ces structures de dôme bistables. Dans cet article, nous avons démontré que nous pouvions imprimer ces structures, mais ce n'est que le bout de l'iceberg en ce qui concerne les architectures d'impression réalisables. »
Les applications potentielles de ces matériaux innovantes sont vastes. Riley de LLNL a souligné que la multi-stabilité a été utilisée pour créer « des pinces robotiques qui peuvent s'ouvrir et fermer, des feuilles de métamatériaux qui peuvent sentir passivement et enregistrer des charges mécaniques et des systèmes logiques mécaniques qui peuvent calculer sans électronique conventionnelle. »
En utilisant CLCES, l'équipe pourrait imprimer 3D imprimer des structures flexibles avec une encre spéciale qui change de couleur lorsqu'elle est stressée. Ce changement de couleur agit comme un signal visuel, montrant comment la structure est utilisée et si elle est sous pression ou déformation.
« Lorsqu'ils sont disposés en tableaux de métamatériaux 2D ou 3D, cette architecture pourrait être utilisée pour des écrans passifs, et pour les capteurs qui affichent différentes couleurs pour indiquer différents niveaux de charge mécanique ont été appliqués », a déclaré Riley.
Les chercheurs prévoient ces matériaux servant de capteurs de détection de déformation à distance qui peuvent être directement imprimés en formes spécifiques, offrant la capacité de cartographier et de vérifier expérimentalement la déformation et la contrainte dans des architectures complexes.
Pour l'avenir, l'équipe est impatiente d'étendre ses recherches grâce à une initiative stratégique de recherche et de développement dirigée en laboratoire visant à développer une nouvelle classe de matériaux sensibles imprimés en 3D avec des propriétés synthétiques et de détection synthétiques de type élastomère liquide encore plus complexes. Cook et Lee, qui dirigent l'effort, aimeraient améliorer la complexité des architectures imprimées et comparer les résultats aux contraintes observées dans les simulations de calcul.
Les chercheurs étudient comment les matériaux peuvent modifier et verrouiller leur rigidité en temps réel en fonction de différentes conditions de chargement. Ces matériaux CLCE pourraient jouer un rôle crucial dans l'itération rapide de nouvelles conceptions via le laboratoire automatisé de LLNL et les stratégies de renforcement d'apprentissage automatique, a déclaré Cook.
Alors que l'équipe continue d'affiner ses capacités d'impression, ils envisagent une intégration pratique de ces matériaux dynamiques et réactifs, avec des techniques de fabrication innovantes qui pourraient également faire progresser les industries dépendantes des matériaux intelligents, de la robotique et au-delà.
