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Les chercheurs ont codé des motifs et des dessins dans le matériau en apportant de minuscules modifications invisibles à la géométrie du réseau triangulaire. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
Les matériaux reconfigurables peuvent faire des choses incroyables. Les draps plats se transforment en visage. Un cube extrudé se transforme en des dizaines de formes différentes. Mais il y a une chose qu’un matériau reconfigurable doit encore pouvoir changer : sa topologie sous-jacente. Un matériau reconfigurable avec 100 cellules aura toujours 100 cellules, même si ces cellules sont étirées ou écrasées.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une méthode pour modifier la topologie fondamentale d’un matériau cellulaire à l’échelle microscopique. La recherche est publiée dans La nature.
“La création de structures cellulaires capables de modifier dynamiquement leur topologie ouvrira de nouvelles opportunités dans le développement de matériaux actifs avec cryptage de l’information, piégeage sélectif des particules, ainsi que des propriétés mécaniques, chimiques et acoustiques réglables”, a déclaré Joanna Aizenberg, professeure Amy Smith Berylson en science des matériaux. à SEAS et professeur de chimie et de biologie chimique et auteur principal de l’article.
Les chercheurs ont développé une méthode pour modifier la topologie fondamentale d’un matériau cellulaire à l’échelle microscopique, ouvrant la voie à des matériaux actifs dotés de propriétés mécaniques, chimiques et acoustiques réglables. Crédit : Images reproduites avec l’aimable autorisation de Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
Les chercheurs ont exploité la même physique qui rassemble nos cheveux lorsqu’ils sont mouillés – la force capillaire. La force capillaire fonctionne bien sur des matériaux souples et souples, comme nos cheveux, mais se débat avec des structures cellulaires rigides qui nécessitent la flexion, l’étirement ou le pliage des parois, en particulier autour des nœuds solides et connectés. La force capillaire est également temporaire, les matériaux ayant tendance à revenir à leur configuration d’origine après séchage.
Afin de développer une méthode durable mais réversible pour transformer la topologie des microstructures cellulaires rigides, les chercheurs ont développé une stratégie dynamique à deux niveaux. Ils ont commencé avec une microstructure cellulaire polymère rigide avec une topologie en réseau triangulaire et l’ont exposée à des gouttelettes d’un solvant volatil choisi pour gonfler et ramollir le polymère à l’échelle moléculaire. Cela a rendu le matériau temporairement plus flexible et dans cet état flexible, les forces capillaires imposées par le liquide en évaporation ont rapproché les bords des triangles, modifiant leurs connexions les uns avec les autres et les transformant en hexagones. Puis, au fur et à mesure que le solvant s’évaporait rapidement, le matériau séchait et était piégé dans sa nouvelle configuration, retrouvant sa rigidité. L’ensemble du processus a pris quelques secondes.
“Quand vous pensez aux applications, il est vraiment important de ne pas perdre les propriétés mécaniques d’un matériau après le processus de transformation”, a déclaré Shucong Li, étudiant diplômé du laboratoire Aizenberg et co-premier auteur de l’article. « Ici, nous avons montré que nous pouvons commencer avec un matériau rigide et terminer avec un matériau rigide en le ramollissant temporairement au stade de la reconfiguration. »
Vidéo de l’assemblage des microstructures. Le réseau triangulaire est exposé à un liquide qui gonfle et ramollit le polymère. Dans cet état flexible, les forces capillaires imposées par le liquide évaporant ont rapproché les bords des triangles, changeant leurs connexions les uns avec les autres et les transformant en hexagones. Crédit : vidéo avec l’aimable autorisation de Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
La nouvelle topologie du matériau est si durable qu’elle peut résister à la chaleur ou être immergée dans certains liquides pendant des jours sans démontage. Sa robustesse a en effet posé problème aux chercheurs qui avaient espéré rendre la transformation réversible.
Pour revenir à la topologie d’origine, les chercheurs ont développé une technique qui combine deux liquides. Le premier gonfle temporairement le réseau, ce qui décolle les parois collées des hexagones et permet au réseau de retrouver sa structure triangulaire d’origine. Le second liquide, moins volatil, retarde l’apparition des forces capillaires jusqu’à ce que le premier liquide se soit évaporé et que le matériau ait retrouvé sa rigidité. De cette manière, les structures peuvent être assemblées et démontées à plusieurs reprises et piégées dans n’importe quelle configuration intermédiaire.
Vidéo du démontage des microstructures. Le premier gonfle temporairement le treillis, ce qui décolle les parois collées. Le second liquide, moins volatil, retarde l’apparition des forces capillaires jusqu’à ce que le premier liquide se soit évaporé et que le matériau ait retrouvé sa rigidité. Crédit : vidéo avec l’aimable autorisation de Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
“Afin d’étendre notre approche aux réseaux arbitraires, il était important de développer un modèle théorique généralisé qui relie les géométries cellulaires, la rigidité des matériaux et les forces capillaires”, a déclaré Bolei Deng, co-premier auteur de l’article et étudiant diplômé du laboratoire de Katia Bertoldi, professeur de mécanique appliquée William et Ami Kuan Danoff à SEAS.
Guidés par ce modèle, les chercheurs ont démontré des transformations topologiques réversibles programmées de diverses géométries de réseau et de matériaux réactifs, notamment la transformation d’un réseau de cercles en carrés.
Les chercheurs ont exploré diverses applications pour l’étude. Par exemple, l’équipe a encodé des motifs et des conceptions dans le matériau en apportant de minuscules modifications invisibles à la géométrie du réseau triangulaire.
“Vous pouvez imaginer que cela soit utilisé pour le cryptage des informations à l’avenir, car vous ne pouvez pas voir le motif dans le matériau lorsqu’il est dans son état non assemblé”, a déclaré Li.
Les chercheurs ont également démontré une transformation très locale, assemblant et désassemblant des régions du réseau avec une minuscule goutte de liquide. Cette méthode pourrait être utilisée pour régler les propriétés de frottement et de mouillage d’un matériau, modifier ses propriétés acoustiques et sa résilience mécanique, et même piéger les particules et les bulles de gaz.
“Notre stratégie pourrait être appliquée à une gamme d’applications”, a déclaré Bertoldi, qui est également co-auteur de l’article. « Nous pouvons appliquer cette méthode à différents matériaux, y compris des matériaux réactifs, différentes géométries et différentes échelles, même à l’échelle nanométrique où la topologie joue un rôle clé dans la conception de méta-surfaces photoniques accordables. L’espace de conception pour cela est énorme.
Référence : « Transformations topologiques induites par les liquides des microstructures cellulaires » par Shucong Li, Bolei Deng, Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li, Siqin Yu, Katia Bertoldi et Joanna Aizenberg, le 14 avril 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03404-7
Cette recherche a été co-écrite par Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li et Siqin Yu.
Il a été soutenu par la National Science Foundation à travers le programme Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF) sous le prix no. DMR-1922321, le Harvard University Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) sous le prix no. DMR-18 2011754, et par le US Department of Energy (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES) sous le numéro de récompense DE-SC0005247.
