Les cristaux liquides cholestériques, un matériau artificiel dont les propriétés se situent entre celles des liquides et des cristaux solides, peuvent imiter les couleurs des ailes de papillon. Les cristaux liquides sont utilisés dans les téléviseurs et les smartphones, mais les applications futures pour les capteurs de santé ou l’éclairage décoratif sont difficiles car les matériaux ne peuvent pas être utilisés dans des méthodes de production avancées et rapides comme l’impression 3D. Les matériaux ne sont pas assez visqueux pour former des structures stables et solides, et il est difficile d’aligner les molécules pour produire des couleurs spécifiques.
Les chercheurs de la TU/e ont résolu ces problèmes en développant une nouvelle encre à cristaux liquides réfléchissant la lumière qui peut être utilisée avec les techniques d’impression 3D existantes. Cette nouvelle recherche a été publiée dans la revue Advanced Materials.
Dans la nature, les matériaux iridescents, qui présentent un changement de couleur lorsqu’ils sont vus sous différents angles, se trouvent dans les ailes des papillons et dans la nacre (ou nacre) de la coquille interne des mollusques.
Une version artificielle de ces matériaux naturels est le cristal liquide cholestérique, qui a déjà été utilisé comme matériau « intelligent » dans des réflecteurs de lumière, des fenêtres commutables et des capteurs d’énergie solaire réglables.
Les cristaux liquides cholestériques conviennent parfaitement aux applications médicales, comme les capteurs souples à porter sur soi ou l’éclairage décoratif. Jusqu’à présent, cependant, il n’existait pas de moyen facile de produire ces matériaux et de fabriquer des dispositifs à partir de ces matériaux.
Une nouvelle solution d’encre
Des chercheurs du département de génie chimique et de chimie de la TU/e, en collaboration avec TNO, DSM, Brightlands Materials Center (dans le consortium DynAM) et SABIC, ont créé une encre à base d’élastomère à cristaux liquides inspirée de la nature, qui peut être imprimée en 3D sur une surface par écriture directe (DIW = Direct-Ink-Writing). L’auteur principal de l’étude est le doctorant Jeroen Sol, tandis qu’Albert Schenning et Michael Debije, du groupe Matériaux et dispositifs fonctionnels stimulables (SFD), dirigent le projet de recherche.
« Le procédé DIW est une méthode d’impression 3D par extrusion dans laquelle une encre est distribuée par une petite buse sur une surface, couche par couche. Les encres à cristaux liquides cholestériques actuelles ne peuvent pas être imprimées avec DIW, nous avons donc créé une encre à cristaux liquides compatible avec DIW« , explique Sol.
La nouvelle encre à cristaux liquides présente plusieurs propriétés essentielles. Tout d’abord, les propriétés de réflexion de la lumière de l’encre dépendent de l’alignement hélicoïdal précis des molécules dans le matériau, ce qui nécessite un réglage fin du processus d’impression. Deuxièmement, les molécules de l’encre peuvent s’auto-assembler en structures qui affichent des couleurs similaires aux matériaux iridescents naturels, comme ceux des ailes de papillon. Troisièmement, la nouvelle encre a une plus grande viscosité que les encres précédentes, ce qui la rend appropriée pour l’impression DIW.
Enfin, la nouvelle encre est nouvelle, facile à fabriquer, facile à traiter et basée sur des matériaux précédemment développés par le groupe de recherche SFD à TU/e pour les revêtements réfléchissant la lumière, ce qui contribue à la rendre adaptée à l’impression 3D.
Imprimer avec des ailes de papillon
« Pour réussir à imprimer la nouvelle encre avec DIW, nous avons fait varier des paramètres comme la vitesse d’impression et la température. Et pour que l’encre s’imprime correctement, nous avons également fabriqué une encre contenant des cristaux liquides de faible poids moléculaire« , note Sol. Fait assez impressionnant, les chercheurs ont pu utiliser la nouvelle encre pour imprimer des ailes de papillon synthétiques !
À la grande surprise des chercheurs, ils ont également réussi à contrôler très précisément l’alignement moléculaire à l’échelle nanométrique en faisant varier la vitesse d’impression. Cela a permis aux chercheurs de mieux contrôler l’apparence et les propriétés de réflexion de la lumière du matériau. « Traditionnellement, ce niveau de contrôle n’est possible qu’avec des dispositifs de fabrication très spécialisés, alors le fait de pouvoir le faire avec la nouvelle encre et l’impression 3D DIW est une véritable percée« , déclare Sol.
Applications futures
Étant donné que la nouvelle encre à cristaux liquides peut être imprimée par DIW, elle pourrait être utilisée dans de futures procédures d’impression pour des dispositifs médicaux personnalisés tels que des biocapteurs minces à porter sur soi qui interagissent visuellement et en couleur avec le porteur.
« De plus, la combinaison de notre nouvelle encre et du DIW peut être utilisée pour imprimer les structures optiques spécialisées nécessaires aux casques de réalité augmentée, où les images réelles et artificielles sont combinées de manière transparente », explique Sol avec enthousiasme. « Ces nouveaux matériaux pourraient se retrouver dans les HoloLenses du futur – ce serait quelque chose d’extraordinaire ! »
L’intégralité de la recherche se trouve ici.
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