Des chercheurs ont mis au point un gel métallique hautement conducteur d’électricité qui peut être utilisé pour imprimer des objets solides en trois dimensions (3D) à température ambiante. Les objets imprimés peuvent changer de forme au fur et à mesure que le gel sèche, un phénomène appelé « impression 4D », la quatrième dimension étant le temps. Cette image montre une araignée métallique imprimée à température ambiante à l’aide du gel métallique, qui s’est assemblée et solidifiée pour prendre sa forme finale en 3D grâce à l’impression 4D. Crédit : Michael Dickey, NC State University
Des scientifiques ont mis au point un gel métallique conducteur pour l’impression 3D d’objets solides à température ambiante. Ce gel, qui combine des particules de cuivre et un alliage d’indium et de gallium, sèche à l’état solide et peut présenter des changements de forme contrôlables sous l’effet de la chaleur, un processus appelé impression quadridimensionnelle. Ces objets présentent une conductivité électrique élevée, ce qui ouvre la voie à la création d’une variété de composants et d’appareils électroniques.
Des chercheurs ont mis au point un gel métallique hautement conducteur d’électricité qui peut être utilisé pour imprimer des objets solides en trois dimensions (3D) à température ambiante.
« L’impression 3D a révolutionné la fabrication, mais nous n’avons pas connaissance de technologies antérieures permettant d’imprimer des objets métalliques en 3D à température ambiante en une seule étape », explique Michael Dickey, co-auteur correspondant d’un article sur ces travaux et titulaire de la chaire Camille & ; Henry Dreyfus d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’université d’État de Caroline du Nord. « Cela ouvre la voie à la fabrication d’une large gamme de composants et d’appareils électroniques ».
Pour créer le gel métallique, les chercheurs commencent par une solution de particules de cuivre de l’ordre du micron en suspension dans l’eau. Ils ajoutent ensuite une petite quantité d’un alliage d’indium et de gallium qui est un métal liquide à température ambiante. Le mélange obtenu est ensuite agité.
Lorsque le mélange est agité, le métal liquide et les particules de cuivre se collent l’un à l’autre, formant un « réseau » de gel métallique dans la solution aqueuse.
« Cette consistance gélatineuse est importante, car elle signifie que les particules de cuivre sont réparties de manière relativement uniforme dans le matériau », explique M. Dickey. « Cela a deux effets. Tout d’abord, cela signifie que le réseau de particules se connecte pour former des voies électriques. D’autre part, cela signifie que les particules de cuivre ne se déposent pas hors de la solution et n’obstruent pas l’imprimante ».
Le gel obtenu peut être imprimé à l’aide d’une buse d’impression 3D classique et conserve sa forme une fois imprimé. Et lorsqu’on le laisse sécher à température ambiante, l’objet 3D obtenu devient encore plus solide tout en conservant sa forme.
Cependant, si les utilisateurs décident d’appliquer de la chaleur à l’objet imprimé pendant qu’il sèche, des choses intéressantes peuvent se produire.
Les chercheurs ont découvert que l’alignement des particules influence la façon dont le matériau sèche. Par exemple, si vous imprimez un objet cylindrique, les côtés se contracteront plus que le haut et le bas pendant le séchage. Si un objet sèche à température ambiante, le processus est suffisamment lent pour ne pas créer de changement structurel dans l’objet. Toutefois, si vous appliquez de la chaleur – par exemple, en plaçant l’objet sous une lampe chauffante à 80 degrés Celsius – le séchage rapide peut entraîner une déformation structurelle. Cette déformation étant prévisible, il est possible de modifier la forme d’un objet imprimé après son impression en contrôlant le motif de l’objet imprimé et la quantité de chaleur à laquelle l’objet est exposé pendant le séchage.
« En fin de compte, ce type d’impression quadridimensionnelle – les trois dimensions traditionnelles, plus le temps – est un outil de plus qui peut être utilisé pour créer des structures aux dimensions souhaitées », explique M. Dickey. « Mais ce que nous trouvons le plus intéressant dans ce matériau, c’est sa conductivité.
« Les objets imprimés étant constitués à 97,5 % de métal, ils sont hautement conducteurs. Ce n’est évidemment pas aussi conducteur qu’un fil de cuivre classique, mais il est impossible d’imprimer en 3D un fil de cuivre à température ambiante. Et ce que nous avons mis au point est bien plus conducteur que tout ce qui peut être imprimé. Nous sommes très enthousiastes quant aux applications possibles.
« Nous sommes prêts à travailler avec des partenaires industriels pour explorer les applications potentielles, et nous sommes toujours heureux de discuter avec des collaborateurs potentiels des orientations futures de la recherche », déclare M. Dickey.
L’article intitulé « Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing » a été publié le 5 juillet dans la revue Matter.
Référence : « Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing » par Ruizhe Xing, Jiayi Yang, Dongguang Zhang, Wei Gong, Taylor V. Neumann, Meixiang Wang, Renliang Huang, Jie Kong, Wei Qi et Michael D. Dickey, 5 juillet 2023, Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2023.06.015
Le premier auteur de cet article est Ruizhe Xing, ancien chercheur invité à NC State, affilié à l’Université polytechnique du Nord-Ouest et à l’Université de Tianjin. Les co-auteurs de l’article sont Dickey, de NC State, et Renliang Huang et Wei Qi de l’université de Tianjin. L’article a été cosigné par Jiayi Yang, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université des sciences et technologies de Xi’an ; Dongguang Zhang, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université technologique de Taiyuan ; Wei Gong, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université nationale de Singapour ; Taylor Neumann, ancien doctorant à NC State ; Meixiang Wang, chercheur postdoctoral à NC State ; et Jie Kong, de l’université polytechnique du Nord-Ouest.
Ce travail a été réalisé avec le soutien de la National Natural Science Foundation of China, sous le numéro de subvention 52203101 ; et du China Scholarship Council, sous le numéro de subvention 201906250075.