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RÉSUMÉ
L’article présente une approche de la fabrication de petits objets 3D par autopliage de motifs élastomères bidimensionnels. La courbure spontanée est transmise aux films de polydiméthylsiloxane par extraction du matériau de remplissage d'une des couches. La relaxation de l'énergie élastique des figures plates permet l'autoformation de sphères, cylindres, cages, etc. La surface intérieure des microtubes autoenroulés peut être fonctionnalisée par formation de motifs physico-chimiques complexes sur les films avant l’enroulement. L'approche offre de nouvelles opportunités pour les applications liées à la microfluidique, l'ingénierie structurale et la science des matériaux.
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Valeriy LUCHNIKOV : Chargé de recherche 1re classe de CNRS Institut de science des matériaux de Mulhouse, UMR CNRS 7361 – UHA, Mulhouse, France
INTRODUCTION
Traditionnellement, la plupart des matériaux de construction et de conception sont fabriqués sous forme de feuilles plates, qui sont ensuite modifiées en objets 3D par des opérations impliquant l’application de forces externes aux matériaux (pliage, moulage, pressage, etc.). Une nouvelle tendance dans l’ingénierie structurale consiste à fournir aux matériaux formés à plat la capacité de se transformer automatiquement en structures volumétriques par la relaxation des contraintes mécaniques internes. La technologie progresse rapidement dans le domaine des films semi-conducteurs hétérostructurés, où elle est explorée pour la production de systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Le présent article décrit la généralisation de l’approche aux films de polymère élastique bicouche, auxquels le moment de flexion spontanée est transmis lors de l’extraction d’un matériau de remplissage du réseau d’une des couches. La relaxation de l’énergie élastique des plaques 2D de polydiméthylsiloxane spécifiquement conçues aboutit à divers objets 3D, comme des sphères, des cylindres, des cages, etc. dont la taille caractéristique est de l’ordre d’un centimètre. Les tubes sous-millimètriques, formés par autoenroulement, offrent des possibilités sans précédent pour la fonctionnalisation des dispositifs de microfluidique.
Domaine : Matériaux
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Numérisation et acquisition 3D ; microscopie électronique
Domaines d’application : Microfluidique ; ingénierie structurale
Principaux acteurs français : V. Luchnikov, Institut de science des matériaux de Mulhouse ; F. Malloggi, laboratoire interdisciplinaire sur l’Organisation nanométrique et supramoléculaire, Saclay.
Autres acteurs dans le monde : V. Prinz, Institut de physique des semi-conducteurs, Novossibirsk, Russia ; D. Gracias, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Johns Hopkins University, États-Unis ; O. Schmidt, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, Germany ; L. Ionov. University of Georgia, États-Unis ; J. Korvink, Karlsruhe institute of Technology, Germany.
Contact : Valeriy Luchnikov, [email protected]
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2. Description technique de l’innovation
La première étape du schéma de fabrication consiste à former un film PDMS (Dow Corning Sylgard 184 Kit) sur un substrat en verre. Les films minces, dont l’épaisseur ne dépasse pas 100 μm, sont préparés par enduction centrifuge, tandis que des films plus épais sont réalisés par coulée. Le rapport polymère/agent de réticulation est de 10:1. Le film est réticulé à 100 °C pendant 30 min sur une plaque chauffante. Ensuite, la deuxième couche est formée sur le premier film, avec l’utilisation de PDMS contenant de l’huile de silicium (Rhodorsil, 47 V 350). La fraction volumique de l’huile, x = V oil /(V oil + V PDMS), varie de x = 0 à x = 0,6. Des valeurs plus élevées de x suppriment la formation d’un réseau élastomère réticulé continu en raison de la dilution excessive de PDMS dans l’huile. L’échantillon est de nouveau passé à la plaque chauffante et la seconde couche contenant de l’huile est réticulée en même temps et à la même température que la première couche. Le film bicouche, sa couche supérieure contenant de l’huile de silicone (figure 1 a ), est immergé dans un bain de chloroforme ou d’isopropanol pour permettre à l’huile de se diffuser, hors de l’élastomère (figure 1 b ). Pour les films dont l’épaisseur ne dépasse pas 2 mm, l’extraction stationnaire est réalisée dans les 48 h. Le film est ensuite séché pendant quelques heures à température ambiante pour éliminer le solvant avant toute manipulation ultérieure. L’élastomère a tendance à restaurer sa densité après extraction de l’huile et séchage du solvant ; le polymère s’effondre alors sur lui-même. La réduction relative des dimensions linéaires peut être estimée par :
Par exemple,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STONEY (G.) - The tension of metallic films deposited by electrolysis. - Proc. Royal Soc. London, A82, p. 172 (1909).
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(2) - TIMOSHENKO (S.) - Analysis of bi-metal thermostats. - Journal of Optical Society of America and RSI, 11, p. 233-255(1925).
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(4) - PRINZ (V.Y.), SELEZNEV (V.A.), PRINZ (A.V.), KOPYLOV (A.V.) - 3D heterostructures and systems for novel MEMS/NEMS. - Sci. Technol. Adv. Mater., 10, 034502, 9 p. (2009).
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(5) - CHO (A.) - Pretty as you please, curling films turn themselves into nanodevices. - Science, vol. 313, p. 164-165 (Focus article), 14 juin 2006.
-
(6) - SYMS (R.), YEATMAN (E.) - Self-assembly...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
MeshLab http://www.meshlab.com
Le système open source pour le traitement et l’édition de mailles 3D triangulaires. Il offre des fonctionnalités pour le traitement des données brutes produites par les outils/appareils de numérisation 3D et pour la préparation de modèles d’impression 3D.
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GOENKA Himanshu Self-Folding Origami Structures Use Light That Changes Shape Of Polymer http://www.ibtimes.com/self-folding-origami-structures-use-light-changes- shape-polymer-2531832 (page consultée le 4 juin 2017)
RolaTube© technology http://www.rolatube.com/ (page consultée le 4 juin 2017)
La microfluidique http://www.institut-pgg.fr/Comprendre-la-Microfluidique_65.html(page consultée le 4 juin...
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