Un nouveau gel métallique ajoute une quatrième dimension à l'impression 3D

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Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont développé un nouveau gel métallique conducteur d’électricité qui peut être utilisé avec les imprimantes 3D de qualité commerciale. En plus d'être conducteur d'électricité, ce nouveau matériau d'impression réagit également à la chaleur en séchant, ce qui signifie qu'il peut imprimer dans une quatrième dimension : le temps. Un article détaillant l’utilisation de ce gel conducteur en impression 3D et 4D a été publié dans la revue Matter.

L'impression 3D a ouvert un tout nouveau monde de possibilités. Il est plus facile que jamais pour les concepteurs de générer et de tester des prototypes de leurs produits, pour les artistes de créer des moules personnalisés et pour les éducateurs de construire des modèles et des dioramas pour leur public.

Mais l’impression 3D, du moins avec les machines simples disponibles pour un usage domestique, s’est largement limitée au plastique. Les métaux peuvent être imprimés en 3D, mais le processus est bien plus complexe. Aujourd’hui, les chercheurs ont développé un nouveau gel métallique compatible avec les buses d’impression conventionnelles à température ambiante.

"L'impression 3D a révolutionné la fabrication, mais nous ne connaissons pas de technologies antérieures permettant d'imprimer des objets métalliques en 3D à température ambiante en une seule étape", déclare Michael Dickey, co-auteur de l'article et de Camille et Henry Dreyfus. Professeur de génie chimique et biomoléculaire à la North Carolina State University. "Cela ouvre la porte à la fabrication d'une large gamme de composants et d'appareils électroniques."

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La création du gel commence par une solution de particules de cuivre à l’échelle micronique en suspension dans l’eau. Après avoir ajouté une petite quantité d’alliage métal liquide indium-gallium et un mélange minutieux, le métal liquide et les particules de cuivre commencent à se coller de telle manière qu’elles forment un « réseau » de gel métallique au sein de la solution aqueuse.

"Cette consistance semblable à un gel est importante, car elle signifie que vous avez une répartition assez uniforme des particules de cuivre dans tout le matériau", explique Dickey. « Cela fait deux choses. Premièrement, cela signifie que le réseau de particules se connecte pour former des chemins électriques. Et deuxièmement, cela signifie que les particules de cuivre ne se détachent pas de la solution et n'obstruent pas l'imprimante.

En raison de sa conception de particules métalliques en suspension, le nouveau gel possède également des propriétés intéressantes qui peuvent être exploitées pour imprimer des structures plus nouvelles.

Comme le rapportent les chercheurs dans leur nouvel article, l’application de chaleur à un objet imprimé sur gel pendant qu’il sèche crée une contrainte importante à l’intérieur du matériau. La contrainte provoquée par cette évaporation accélérée de l’eau est suffisamment importante pour provoquer des changements de forme supplémentaires au fil du temps, introduisant ainsi le temps comme quatrième dimension dans le processus d’impression.

"En fin de compte, ce type d'impression en quatre dimensions - les trois dimensions traditionnelles, plus le temps - est un outil supplémentaire qui peut être utilisé pour créer des structures aux dimensions souhaitées", explique Dickey. "Mais ce que nous trouvons le plus intéressant dans ce matériau, c'est sa conductivité."

« Étant donné que les objets imprimés sont constitués à 97,5 % de métal, ils sont hautement conducteurs. Il n’est évidemment pas aussi conducteur qu’un fil de cuivre classique, mais il est impossible d’imprimer en 3D du fil de cuivre à température ambiante. Et ce que nous avons développé est bien plus conducteur que tout ce qui peut être imprimé. Nous sommes très enthousiasmés par les candidatures ici.

Pour le démontrer, les chercheurs ont utilisé leur gel métallique pour imprimer une « araignée conductrice ». Imprimés sur une surface plane, les chercheurs ont vu l'araignée commencer lentement à se soulever et à s'assembler en séchant sous l'effet de la chaleur. La structure résultante a conservé sa conductivité, étant capable d’éclairer deux « yeux » LED lorsqu’elle est connectée à une batterie de 6 volts.