Nouvelle voie pour construire des matériaux à partir de minuscules particules

La chercheuse Laura Rossi et son groupe à la TU Delft ont trouvé une nouvelle façon de fabriquer des matériaux synthétiques à partir de minuscules particules de verre, appelées colloïdes. Avec leurs collègues de l’Université Queen’s et de l’Université d’Amsterdam, ils ont montré qu’ils pouvaient simplement utiliser la forme de ces colloïdes pour créer des blocs de construction intéressants pour de nouveaux matériaux, quelles que soient les autres propriétés des particules colloïdales. « C’est frappant, car cela ouvre une toute nouvelle façon de penser la conception des matériaux », déclare Rossi. Leurs travaux sont publiés dans Avancées scientifiques ce vendredi.

Les colloïdes sont de minuscules particules, de quelques nanomètres à quelques microns. Ils sont constitués d’un ensemble de molécules et peuvent avoir des propriétés différentes selon le matériau qui les compose. « Dans certaines circonstances, les colloïdes peuvent se comporter comme des atomes et des molécules, mais leurs interactions sont moins fortes », explique Rossi. « Cela en fait des blocs de construction prometteurs pour de nouveaux matériaux, par exemple pour des matériaux interactifs capables d’adapter leurs propriétés à leur environnement. »

Nouvelle façon de concevoir les matériaux

S’ils sont laissés seuls, les colloïdes en forme de cube de cette étude, qui sont fabriqués à partir de verre, s’assembleront en structures simples comme des réseaux cubiques et hexagonaux déformés. Mais au lieu de passer immédiatement du bloc de construction à la structure finale, les chercheurs ont pris de petits groupes de colloïdes et les ont combinés en blocs de construction plus grands. Lorsqu’ils ont assemblé ces amas de colloïdes, ils se sont retrouvés avec une structure finale différente avec des propriétés matérielles différentes de celles de la structure auto-assemblée. « D’un point de vue chimique, nous nous concentrons toujours sur la façon dont nous pouvons produire un certain type de colloïde », explique Rossi. « Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur : comment pouvons-nous utiliser les colloïdes déjà disponibles pour fabriquer des blocs de construction intéressants ? »

Un pas en avant

Selon Rossi et son collaborateur Greg van Anders, l’un des objectifs ultimes de leur communauté de recherche est de concevoir des structures colloïdales complexes à la demande. « Ce que nous avons trouvé ici est très important, car pour les applications possibles, nous avons besoin de procédures qui peuvent être mises à l’échelle, ce qui sera difficile à réaliser avec la plupart des approches actuellement disponibles. La capacité de base de pré-assembler des pièces identiques à partir de différents blocs de construction, et leur faire faire la même structure, ou prendre le même bloc de construction et pré-assembler différentes pièces qui font des structures différentes, sont vraiment les « mouvements d’échecs » de base pour l’ingénierie de structures complexes », ajoute van Anders.

Bien que Rossi étudie les aspects fondamentaux plutôt que l’application de la conception des matériaux, elle peut envisager des applications éventuelles pour ce travail spécifique : « Nous avons constaté que la densité de la structure que nous avons préparée était bien inférieure à la densité de la structure que vous obtiendriez en utilisant les blocs de construction de départ. Ainsi, vous pouvez penser à des matériaux solides mais légers pour le transport.

Associant

Après que l’équipe de Rossi ait construit des grappes de colloïdes en laboratoire, elle s’est appuyée sur l’équipe de Greg van Anders de l’Université Queen’s pour construire la structure finale à partir de grappes pré-assemblées avec une simulation informatique. « Avec ce type de projets, c’est formidable de pouvoir faire équipe avec d’autres personnes capables d’exécuter des simulations, non seulement pour comprendre ce qui se passe en profondeur, mais aussi pour tester les chances de réussite d’une expérience en laboratoire », explique Rossi. . « Et dans ce cas, nous avons obtenu des résultats très convaincants indiquant que nous comprenions bien le processus de conception et que le matériau résultant peut être utile. »

La prochaine étape consistera à construire la structure finale à partir des groupes de colloïdes en laboratoire. « Après avoir vu ces résultats, je suis convaincu que cela peut être fait », déclare Rossi. « Ce serait formidable d’avoir une version physique de ce matériel et de le tenir dans ma main. »