Le matériau produit des objets souples et élastiques qui ressemblent à des tissus humains – Technoguide

Les chercheurs des laboratoires de Christopher Bates, professeur adjoint de matériaux à l’UC Santa Barbara, et Michael Chabinyc, professeur de matériaux et directeur du département, se sont associés pour développer le premier élastomère «brosse à bouteilles» imprimable en 3D. Le nouveau matériau donne des objets imprimés qui ont une douceur et une élasticité inhabituelles – des propriétés mécaniques qui ressemblent étroitement à celles des tissus humains.

Les élastomères conventionnels, c’est-à-dire les caoutchoucs, sont plus rigides que de nombreux tissus biologiques. Cela est dû à la taille et à la forme de leurs polymères constituants, qui sont de longues molécules linéaires qui s’enchevêtrent facilement comme des spaghettis cuits. En revanche, les polymères de brosse à bouteille ont des polymères supplémentaires attachés au squelette linéaire, ce qui conduit à une structure plus proche d’une brosse à bouteille que vous pourriez trouver dans votre cuisine. La structure polymère de la brosse à bouteilles confère la capacité de former des élastomères extrêmement doux.

La possibilité d’imprimer en 3D des élastomères de brosse à bouteilles permet d’exploiter ces propriétés mécaniques uniques dans des applications qui nécessitent un contrôle minutieux des dimensions d’objets allant du tissu biomimétique aux dispositifs électroniques à haute sensibilité, tels que les tablettes tactiles, les capteurs et les actionneurs.

Deux chercheurs postdoctoraux – Renxuan Xie et Sanjoy Mukherjee – ont joué un rôle clé dans le développement du nouveau matériel. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.

La découverte clé de Xie et Mukherjee implique l’auto-assemblage de polymères de brosse à bouteilles à l’échelle du nanomètre, ce qui provoque une transition solide-liquide en réponse à la pression appliquée. Ce matériau est classé comme un fluide à limite d’élasticité, ce qui signifie qu’il commence comme un solide semi-mou qui conserve sa forme, comme le beurre ou le dentifrice, mais lorsqu’une pression suffisante est appliquée, il se liquéfie et peut être pressé à l’aide d’une seringue. L’équipe exploite cette propriété pour créer des encres dans un processus d’impression 3D appelé écriture directe à l’encre (DIW).

Les chercheurs peuvent régler le matériau pour qu’il s’écoule sous différentes quantités de pression pour correspondre aux conditions de traitement souhaitées. «Par exemple, vous souhaitez peut-être que le polymère conserve sa forme sous un niveau de stress différent, par exemple en présence de vibrations», explique Xie. “Notre matériau peut conserver sa forme pendant des heures. C’est important, car si le matériau s’affaisse pendant l’impression, la pièce imprimée aura une mauvaise stabilité structurelle.”

Une fois l’objet imprimé, une lumière UV est projetée dessus pour activer les agents de réticulation que Mukherjee a synthétisés et inclus dans la formulation de l’encre. Les agents de réticulation peuvent lier des polymères de brosse à bouteilles proches, ce qui donne un élastomère ultra-doux. À ce stade, le matériau devient un solide permanent – il ne se liquéfiera plus sous pression – et présente des propriétés extraordinaires.

«Nous commençons avec des polymères longs qui ne sont pas réticulés», a déclaré Xie. “Cela leur permet de s’écouler comme un fluide. Mais, après avoir éclairé sur eux, les petites molécules entre les chaînes de polymère réagissent et sont liées entre elles en un réseau, donc vous avez un solide, un élastomère qui, une fois étiré, va revenir à sa forme d’origine. “

La douceur d’un matériau se mesure en fonction de son module, et pour la plupart des élastomères, elle est plutôt élevée, ce qui signifie que leur rigidité et leur élasticité sont similaires à celles d’un élastique. “Le module de notre matériau est mille fois plus petit que celui d’un élastique”, note Xie. “Il est extrêmement doux – il ressemble beaucoup à un tissu humain – et très extensible. Il peut s’étirer environ trois à quatre fois sa longueur.”

Une encre accidentelle

Mukherjee a découvert le matériau par accident, tout en essayant de développer un matériau pour un projet différent, qui augmenterait la quantité de charge pouvant être stockée par un actionneur. Lorsque l’élastomère est venu chez Xie pour la caractérisation, il a immédiatement su que c’était spécial. “J’ai pu voir tout de suite que c’était différent, parce qu’il pouvait si bien tenir sa forme”, se souvient-il.

«Lorsque nous avons vu cette contrainte d’élasticité vraiment bien définie, tout le monde s’est rendu compte collectivement que nous pourrions l’imprimer en 3D», a déclaré Bates, «et ce serait cool, car aucun des matériaux imprimables en 3D que nous connaissons n’a ce super -propriété douce. “

Les polymères Bottlebrush existent depuis plus de vingt ans. Mais, a déclaré Bates, «le domaine a explosé au cours des dix dernières années grâce aux progrès de la chimie synthétique qui offrent un contrôle exquis sur la taille et la forme de ces molécules uniques.

“Ces élastomères super doux pourraient être applicables comme implants”, a-t-il ajouté. “Vous pourrez peut-être réduire l’inflammation et le rejet par le corps si les propriétés mécaniques d’un implant correspondent au tissu natif.”

Un autre élément important du nouveau matériau est qu’il s’agit d’un polymère pur, a noté Chabinyc.

“Il n’y a pas d’eau ou d’autre solvant en eux pour les rendre artificiellement plus doux”, a-t-il déclaré.

Pour comprendre l’importance de ne pas avoir d’eau dans le polymère, il est utile de penser à Jell-O, qui est principalement de l’eau et peut conserver sa forme, mais seulement tant que l’eau reste à l’intérieur. “Si l’eau partait, alors vous auriez juste un tas de matière informe”, a déclaré Chabinyc. “Avec un polymère conventionnel, vous devez trouver comment conserver la bonne quantité d’eau pour maintenir sa structure, mais ce nouveau matériau est tout solide, donc il ne changera jamais.”

De plus, le nouveau matériau peut être imprimé en 3D et traité sans solvant, ce qui est également inhabituel. “Les gens ajoutent souvent du solvant pour liquéfier un solide afin qu’il puisse être extrait d’une buse”, a déclaré Xie, “mais si vous ajoutez du solvant, il doit s’évaporer après l’impression, ce qui fait que l’objet change de forme ou se fissure.”

Mukherjee a ajouté: «Nous voulions que le matériau et le processus d’impression soient aussi propres et simples que possible, nous avons donc joué un tour de chimie avec la solubilité et l’auto-assemblage, ce qui a permis le processus sans solvant. Le fait que nous ne le faisons pas l’utilisation d’un solvant est un énorme avantage. “

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