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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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Perspectives et évolutions
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3. Applications
3.1 Mise en forme 3D des surfaces avec courbure spontanée inspirée du « kirigami »
Des motifs de coupe d’un film avec courbure spontanée et relaxation de l’énergie élastique peuvent être explorés pour la formation d’une multitude de formes 3D. Ce processus ressemble à l’art japonais ancien de découpe et de pliage de papier, le kirigami. Deux exemples de motifs 2D et leurs formes 3D correspondantes sont représentés sur la figure 2.
Une forme semblable à une cage (ou à une couronne) provient d’un motif en forme d’étoile (figure 2 a ). Un autre exemple est le repliement automatique d’un motif 2D spécifique sous forme de sphère (figure 2 b ). Supposons que le rayon de courbure spontanée de la surface soit R ; alors une sphère est formée en relâchant le motif, qui se compose de N segments égaux (N est un nombre impair), dont les limites sont données par :
où k court de –(N – 1)/2 à (N – 1)/2. Le cas présenté dans la figure 2 b correspond à N = 7. En principe, la bifurcation de la courbure et la combinaison d’éléments cylindriques et sphériques pourraient offrir de nombreuses possibilités pour la construction d’objets autopliés (§ 3.4).
HAUT DE PAGE3.2 Programmation des formes 3D...
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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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(3) - PRINZ (V.Y). - A new concept in fabricating building blocks for nanoelectronic and nanomechanic devices. - Microelectronic Engineering, 69, p. 466-475 (2003).
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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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