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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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An approach to the fabrication of small 3D objects via the self-folding of 2D elastomer patterns is presented. Spontaneous curvature is imparted to bilayer polydimethylsiloxane films by extraction of filler from one of the layers. Spheres, cylinders, cages, etc., are auto-formed by relaxation of elastic energy of relevant flat figures. Inner surfaces of microscale self-rolled tubes can be engineered by formation of complex physicochemical patterns on the films prior to rolling. The approach offers new opportunities for microfluidics-related applications, structural engineering, and materials science.
Auteur(s)
-
Valeriy LUCHNIKOV : Chargé de recherche 1 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]
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
microfluidics | structural engineering | self-forming materials
DOI (Digital Object Identifier)
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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 :
( 2 )
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 via une distribution inhomogène de la couche PDMS + huile de silice
La forme des objets 3D peut être programmée non seulement par une disposition spécifique des coupes d’un film bicouche uniforme, mais aussi par une distribution non homogène de la couche PDMS + huile...
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BIBLIOGRAPHIE
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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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-
(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.
HAUT DE PAGE
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...
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