Les chercheurs de la South Dakota School of Mines & Technology apprennent à manipuler les propriétés de base des matériaux innovants pour faciliter la création de nouveaux produits

Imaginez un camouflage qui rend un sujet presque invisible ; des prothèses qui ressemblent à de vrais appendices ; des batteries de smartphones intégrées dans le tissu fin de vos vêtements ; des fenêtres qui dirigent la lumière vers différentes parties de la pièce tout au long de la journée. Toutes ces idées, et bien d’autres encore, sont peut-être possibles grâce à une nouvelle ère de la science des matériaux qui s’ouvre actuellement. Les chercheurs de la South Dakota School of Mines & Technology apprennent à manipuler les propriétés de base des matériaux innovants pour faciliter la création de nouveaux produits.

« Nous essayons vraiment d’améliorer l’ingénierie au niveau des voxels », déclare Travis Walker, Ph.D., professeur adjoint de génie chimique et biologique à la South Dakota Mines.

Alors, qu’est-ce qu’un voxel ? En photographie, la netteté d’une image dépend du nombre de pixels par pouce. Plus il y a de pixels dans une image, plus les détails sont nets. Si l’on passe en trois dimensions, la résolution n’est pas déterminée par les pixels, mais par les voxels. Comme pour la photographie numérique, la résolution de la technologie d’impression 3D ne cesse de s’améliorer. Aujourd’hui, les chercheurs s’efforcent de manipuler des voxels dont la taille est inférieure au diamètre d’un cheveu humain. Cet effort se traduit par une impression 3D très fine et détaillée.

La prochaine évolution de l’impression 3D pourrait impliquer la possibilité de modifier les propriétés d’un matériau, voxel par voxel. Tout comme de nombreux pixels de couleurs différentes composent une photographie vivante, de nombreux types de voxels différents peuvent faire un matériau unique.

« Une grande partie de mon groupe de recherche étudie les nouveaux matériaux en contrôlant la présence de charges dans la fabrication additive au niveau du voxel », déclare Walker.

En acquérant la capacité de modifier la composition de chaque pièce du puzzle, les ingénieurs peuvent construire des matériaux complexes aux propriétés uniques et inédites.

« Nous étudions la physique fondamentale au niveau des voxels. Une fois que nous pouvons contrôler les propriétés de chaque voxel, nous pouvons fabriquer des métamatériaux, tels que des matériaux à gradient, qui peuvent faire progresser un certain nombre de matériaux que vous pouvez trouver aujourd’hui », explique Walker.

Walker est spécialisé dans l’étude de la mécanique des fluides. Ce travail comprend un effort pour comprendre les fluides complexes, les solides mous, les interactions fluides miscibles et les systèmes biologiques. Tout le monde a une compréhension de base de la façon dont l’eau s’écoule, mais des fluides plus épais comme le ketchup ou la peinture peuvent présenter des propriétés différentes. Walker note que ces fluides plus épais « peuvent être une entrave lorsqu’on essaie de sortir le ketchup d’une bouteille en verre, ou un avantage lorsqu’on étale de la peinture sur un mur vertical. Ces exemples quotidiens montrent que les fluides complexes peuvent être difficiles à traiter, mais que lorsqu’ils sont exploités, leur complexité peut aussi être utile ».

Une partie de la recherche de Walker, qui est financée en partie par une bourse CARRIÈRE de la NSF, implique l’utilisation de minuscules disques qui peuvent être insérés dans chaque voxel et ensuite déplacés dans une orientation unique en utilisant des champs magnétiques. Ce travail pourrait avoir une série d’applications, notamment des antennes plus efficaces pour une meilleure wi-fi qui permet l’internet des choses.

D’importants défis sont à relever dans ces domaines de recherche. « Nous fabriquons des matériaux composites comme la fibre de verre depuis plus d’un siècle, mais il est beaucoup plus difficile de contrôler les choses au niveau du voxel », explique M. Walker. « La possibilité de faire de l’impression 3D existe, et la possibilité d’insérer différentes particules dans chaque voxel existe. Maintenant, nous avons besoin des bons collaborateurs qui ont besoin de ce genre d’application d’ingénierie ».

L’effort pour surmonter ces défis est louable, car la recherche sur la physique qui se déroule à ces minuscules échelles pourrait avoir de vastes implications allant des nouveaux produits électroniques aux progrès de la médecine, des produits pharmaceutiques et de la production d’énergie. « Lorsque vous essayez de concevoir des matériaux à un niveau inférieur au micron – comment l’organisation se produit-elle, comment les choses se propagent-elles à travers la microstructure – la physique est la même pour de nombreux matériaux différents », explique Walker.

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