Une équipe de recherche découvre comment convertir un polymère imprimé en 3D en un matériau de micro-réseau de carbone hybride plus résistant et ductile

Le développement d’un matériau léger à la fois solide et hautement ductile a été considéré comme un objectif recherché de longue date dans le domaine des matériaux de structure, mais ces propriétés s’excluent généralement mutuellement. Cependant, des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) ont récemment découvert une méthode directe et peu coûteuse pour transformer les polymères imprimables en 3D couramment utilisés en micro-réseaux de carbone hybrides légers, ultra-résistants et biocompatibles, qui peuvent être de n’importe quelle forme ou taille, et sont 100 fois plus résistants que les polymères d’origine. L’équipe de recherche pense que cette approche innovante peut être utilisée pour créer des pièces 3D sophistiquées avec des propriétés mécaniques sur mesure pour un large éventail d’applications, y compris les stents coronaires et les bio-implants.

Les métamatériaux sont des matériaux conçus pour avoir des propriétés qui ne se trouvent pas dans les matériaux naturels. Les métamatériaux architecturés en 3D, tels que les micro-réseaux, combinent les avantages des principes de conception structurelle légère avec les propriétés intrinsèques de leurs matériaux constitutifs. La fabrication de ces micro-réseaux nécessite souvent des technologies de fabrication avancées, telles que la fabrication additive (communément appelée impression 3D), mais la gamme de matériaux disponibles pour l’impression 3D est encore assez limitée.

« L’impression 3D devient une technologie omniprésente pour produire des composants géométriquement complexes avec des propriétés uniques et ajustables. Les composants architecturés solides et résistants nécessitent généralement des métaux ou des alliages pour être imprimés en 3D, mais ils ne sont pas facilement accessibles en raison du coût élevé et de la faible résolution de imprimantes 3D métalliques commerciales et matières premières. Les polymères sont plus accessibles mais manquent généralement de résistance mécanique ou de ténacité. Nous avons trouvé un moyen de convertir ces photopolymères imprimés en 3D plus faibles et cassants en architectures 3D ultra-résistantes comparables aux métaux et alliages simplement en les chauffant sous les bonnes conditions, ce qui est surprenant », a déclaré le professeur Lu Yang du Département de génie mécanique (MNE) et du Département de science et génie des matériaux (MSE) de CityU, qui a dirigé la recherche.

Une nouvelle méthode pour augmenter la résistance sans compromettre la ductilité

Jusqu’à présent, l’approche la plus efficace pour augmenter la résistance de ces réseaux polymères imprimables en 3D est la pyrolyse, un traitement thermique qui transforme l’ensemble des polymères en carbone ultra-résistant. Cependant, ce procédé prive le réseau polymère d’origine de presque toute sa déformabilité et produit un matériau extrêmement cassant, comme le verre. D’autres procédés pour augmenter la résistance des polymères aboutissent également typiquement à compromettre leur ductilité.

L’équipe dirigée par le professeur Lu a découvert une condition « semblable à la magie » dans la pyrolyse des micro-réseaux de photopolymères imprimés en 3D, ce qui a entraîné une augmentation de 100 fois de la résistance et doublé la ductilité du matériau d’origine. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue scientifique Question sous le titre « Micro-réseaux de carbone hybrides architecturés en 3D légers et ultra-résistants ».

Ils ont découvert qu’en contrôlant soigneusement la vitesse de chauffage, la température, la durée et l’environnement gazeux, il est possible d’améliorer simultanément la rigidité, la résistance et la ductilité d’un micro-réseau polymère imprimé en 3D de manière drastique en une seule étape.

Grâce à diverses techniques de caractérisation, l’équipe a découvert qu’une amélioration simultanée de la résistance et de la ductilité n’est possible que lorsque les chaînes polymères sont « partiellement carbonisées » par chauffage lent, où une conversion incomplète des chaînes polymères en carbone pyrolytique se produit, produisant un matériau hybride dans lequel les deux des chaînes polymères faiblement réticulées et des fragments de carbone coexistent en synergie. Les fragments de carbone servent d’agents de renforcement qui renforcent le matériau, tandis que les chaînes polymères limitent la rupture du composite.

Le rapport polymère/fragments de carbone est également crucial pour obtenir une résistance et une ductilité optimales. S’il y a trop de fragments de carbone, le matériau devient cassant et s’il y en a trop peu, le matériau manque de résistance. Au cours des expériences, l’équipe a réussi à créer un réseau polymère carbonisé de manière optimale qui était plus de 100 fois plus résistant et plus de deux fois plus ductile que le réseau polymère d’origine.

Avantages au-delà de l’amélioration des propriétés mécaniques

L’équipe de recherche a également découvert que ces micro-réseaux de « carbone hybride » présentaient une biocompatibilité améliorée par rapport au polymère d’origine. Grâce à des expériences de surveillance de la cytotoxicité et du comportement cellulaire, ils ont prouvé que les cellules cultivées sur les micro-réseaux hybrides de carbone étaient plus viables que les cellules ensemencées sur les micro-réseaux polymères. La biocompatibilité accrue des réseaux de carbone hybride implique que les avantages de la carbonisation partielle peuvent aller au-delà de l’amélioration des performances mécaniques et potentiellement améliorer également d’autres fonctionnalités.

« Notre travail fournit une voie peu coûteuse, simple et évolutive pour fabriquer des métamatériaux mécaniques légers, solides et ductiles avec pratiquement n’importe quelle géométrie », a déclaré le professeur Lu. Il envisage que l’approche nouvellement inventée puisse être appliquée à d’autres types de polymères fonctionnels, et que la flexibilité géométrique de ces métamatériaux de carbone hybrides architecturés permettra d’adapter leurs propriétés mécaniques à un large éventail d’applications, telles que les implants biomédicaux, mécaniquement échafaudages robustes pour micro-robots, dispositifs de récupération et de stockage d’énergie.

Le professeur Lu est l’auteur correspondant et le Dr James Utama Surjadi, postdoctorant dans son groupe, est le premier auteur de l’article. Les collaborateurs incluent le professeur Wang Zuankai, professeur titulaire au département MNE, et le Dr Raymond Lam Hiu-wai, directeur associé et professeur associé au département de génie biomédical de CityU.