Images optiques de tétraèdres tronqués formant de multiples grains hexagonaux (en haut). L'analyse de l'ordre des liaisons montre différents grains hexagonaux à travers différentes couleurs (en bas). Les tétraèdres voisins qui ont la même couleur indiquent qu'ils ont la même orientation des grains. La barre d'échelle est de 20 um. Crédit : David Doan et John Kulikowski
Les ingénieurs en matériaux de Stanford ont utilisé l'impression 3D pour créer des dizaines de milliers de nanoparticules difficiles à fabriquer, qui devraient conduire au développement de nouveaux matériaux capables de modifier instantanément leur forme.
Dans les nanomatériaux, la forme est le destin. Autrement dit, la géométrie de la particule dans le matériau définit les caractéristiques physiques du matériau résultant.
« Un cristal constitué de nano-roulements à billes s'organisera différemment d'un cristal constitué de nano-dés et ces arrangements produiront des propriétés physiques très différentes », a déclaré Wendy Gu, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Stanford, en présentant son dernier article. qui paraît dans le journal Communications naturelles. « Nous avons utilisé une technique de nano-impression 3D pour produire l'une des formes les plus prometteuses connues : les tétraèdres tronqués d'Archimède. Ce sont des tétraèdres à l’échelle micronique dont les extrémités sont coupées.
Dans l’article, Gu et ses co-auteurs décrivent comment ils ont nano-imprimé des dizaines de milliers de ces nanoparticules difficiles, les ont mélangées dans une solution, puis les ont observées s’auto-assembler en diverses structures cristallines prometteuses. Plus important encore, ces matériaux peuvent passer d’un état à l’autre en quelques minutes simplement en réorganisant les particules selon de nouveaux motifs géométriques.
Cette capacité à changer de « phases », comme les ingénieurs en matériaux appellent la qualité de métamorphose, est similaire au réarrangement atomique qui transforme le fer en acier trempé, ou en matériaux qui permettent aux ordinateurs de stocker des téraoctets de données précieuses sous forme numérique.
« Si nous pouvons apprendre à contrôler ces déphasages dans les matériaux constitués de ces tétraèdres tronqués d'Archimède, cela pourrait ouvrir la voie à de nombreuses directions techniques prometteuses », a-t-elle déclaré.
Une proie insaisissable
Les tétraèdres tronqués d'Archimède (ATT) ont longtemps été théorisés comme étant parmi les géométries les plus souhaitables pour produire des matériaux pouvant facilement changer de phase, mais jusqu'à récemment, ils étaient difficiles à fabriquer – prédits dans les simulations informatiques mais difficiles à reproduire dans le monde réel.
Gu s'empresse de souligner que son équipe n'est pas la première à produire à l'échelle nanométrique Les tétraèdres tronqués d'Archimède sont en quantité, mais ils sont parmi les premiers, sinon les premiers, à utiliser la nano-impression 3D pour le faire.
« Avec la nano-impression 3D, nous pouvons créer presque toutes les formes que nous voulons. Nous pouvons contrôler la forme des particules avec beaucoup de précision », a expliqué Gu. « Cette forme particulière a été prédite par des simulations pour former des structures très intéressantes. Lorsque vous pouvez les regrouper de différentes manières, ils produisent des propriétés physiques précieuses.
Les ATT forment au moins deux structures géométriques hautement souhaitables. Le premier est un motif hexagonal dans lequel les tétraèdres reposent à plat sur le substrat, leurs extrémités tronquées pointant vers le haut, comme une chaîne de montagnes à l’échelle nanométrique. La seconde est peut-être encore plus prometteuse, a déclaré Gu. Il s'agit d'une structure cristalline quasi-diamant dans laquelle les tétraèdres alternent dans des orientations orientées vers le haut et vers le bas, comme des œufs reposant dans une boîte à œufs. L’arrangement des diamants est considéré comme le « Saint Graal » dans la communauté photonique et pourrait ouvrir la voie à de nombreuses directions scientifiques nouvelles et intéressantes.
Mais surtout, lorsqu’ils sont correctement conçus, les futurs matériaux constitués de particules imprimées en 3D peuvent être réorganisés rapidement, passant facilement d’une phase à l’autre grâce à l’application d’un champ magnétique, d’un courant électrique, de chaleur ou d’une autre méthode d’ingénierie.
Gu a déclaré qu'elle pouvait imaginer des revêtements pour les panneaux solaires qui changent tout au long de la journée pour maximiser l'efficacité énergétique, des films hydrophobes de nouvelle génération pour les ailes et les fenêtres des avions, qui les empêchent de s'embuer ou de se givrer, ou de nouveaux types de mémoire informatique. La liste se rallonge de plus en plus.
« À l'heure actuelle, nous travaillons à rendre ces particules magnétiques pour contrôler leur comportement », a déclaré Gu à propos de ses dernières recherches déjà en cours utilisant de nouvelles manières des nanoparticules de tétraèdre tronqué d'Archimède. « Les possibilités commencent seulement à être explorées. »
Ce travail a été financé par la National Science Foundation, une bourse d'études supérieures de Stanford. DD, JK, la Hellman Foundation et la National Science Foundation. Une partie de ce travail a été réalisée au Stanford Nano Shared Facilities, soutenu par la National Science Foundation, et au Stanford Cell Sciences Imaging Facility.
