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Un matériau innovant pour la microfabrication d’objets 3D à partir de modèles 2D

Des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / UHA) et de l’Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne) ont mis au point un nouveau matériau qui peut s'auto-façonner de manière très originale sous l’action de forces internes :au-départ sous forme de couche mince plane, le matériaupeut se transformer seul en une grande variété d’objets 3D comme des micro-tubes oudes micro-cages. Ilpourrait trouver de nombreuses applications dans la micro-fabrication d’objets de forme pré-déterminée. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Soft Matter.

Les contraintes mécaniques dans les couches minces qui constituent des matériaux multicouches sont à l’origine de nombreux phénomènes comme la délamination (séparation des feuillets d'une structure feuilletée), la formation de rides, etc… Si les contraintes ne sont pas homogènes dans les différentes couches, un moment de forces apparait et les couches minces peuvent alors se courber spontanément sous l’action de forces externes.

En jouant avec ces contraintes, les chercheurs sont parvenus à réaliser un nouveau matériau auto-enroulant. Pour cela, ils ont utilisé le polydimethylsioxane (PDMS) réticulé, un élastomère transparent et biocompatible et une huile de silicone. L’enroulement spontané est engendré par l’architecture spécifique de bicouches de PDMS où cette huile est dispersée à l’échelle moléculaire dans la couche supérieure. Privée de l’huile que l’on peut extraire dans un solvant organique comme le chlorophorme, la couche se rétracte. En même temps, elle est contrariée par la couche adjacente qui elle, ne contient pas d’huile. Un gradient vertical de la contrainte apparait et conduit alors à un moment de force dans la bicouche qui adopte une forme courbée tridimensionnelle (3D)(Figure). Il est possible de contrôler le rayon de courbure par la quantité d’huile dispersée dans la couche supérieure. Plus il y a d’huile à extraire, plus la courbure sera importante. On peut également contrôler cette courbure en intervenant sur l’épaisseur de chaque couche.

Le procédé de fabrication est simple et le maniement des films aisé car il ne demande aucune stimulation externe pour obtenir la courbure désirée. Il suffit de fabriquer la bicouche de polymère que l’on souhaite transformer en objet tridimensionnel. Le modèle 2D est dessiné sur la bicouche de polymère, puis découpé. Après extraction de l’huile, le matériau se transforme en l’objet 3D défini par le modèle.

L’Institut de science des matériaux de Mulhouse est membre de l’Institut Carnot MICA.

luchnikov

Schéma de fabrication de bicouches de PDMS avec une courbure spontanée (a ,b ,c),
et l’auto-façonnage de formes 3D à partir de modèles bidimensionnels (d, e).

Référence

A. I. Egunov, J.G. Korvink & V. A. Luchnikov

Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature

Soft Matter 29 octobre 2015
DOI: 10.1039/C5SM01139F

Contact chercheur

Valeriy Luchnikov, Institut de science des matériaux de Mulhouse

Courriel : valeriy.luchnikov@uha.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

30 mars 2016