Propriétés mécaniques de matériaux moléculaires bistables à transition de spin et leurs applications (actionnement, Nems, Mems, muscles artificiels)

Le phénomène de transition de spin s’accompagne d’un changement de volume de maille cristalline qui peut atteindre 20%. Nous souhaitons utiliser ce changement de volume contrôlé et réversible, sous l’action d’un stimulus externe dans ces composés bistables pour générer du mouvement dans des matériaux composites ou nano-composites.

Suivant un premier objectif synergétique, les composés à transition de spin sont associés à des matrices polymériques piézoélectriques. Nous avons démontré que le couplage mécano-électrique entre une matrice copolymère P(VDF-TrFE) et des particules à transition de spin peut conduire à des pics de décharge électrique. Ce résultat offre des perspectives pour le développement de matériaux composites pour la récupération d’énergie thermoélectrique.

Dans le cadre de cet axe de recherche, nous souhaitons également exploiter cette déformation réversible pour développer des actionneurs moléculaires multi-échelles.

Pour la fabrication de dispositifs électromécaniques microscopiques (MEMS), un micro-cantilever en silicium autoportant incorporant un système de détection piézorésistive peut être revêtu d’un film à transition de spin déposé par sublimation ou par ‘spray-coating’. Le passage de l’état bas spin à l’état haut spin conduit à une flexion réversible du cantilever en accord avec la modification des paramètres du réseau cristallin du complexe qui s’ordonne sur le substrat de silicium. Le fort couplage mécanique entre les deux couches a également été mis en évidence par la diminution de la fréquence de résonance du dispositif dans l’état haut spin.

Pour obtenir des dispositifs actionneurs macroscopiques, les matériaux à transition de spin sous forme “bulk” ou nanoparticulaire sont intégrés dans des matrices polymériques par impression 3D ou “blade casting”. Notre approche initiale est basée sur une architecture de bi-lame dans laquelle le matériau actif (c’est-à-dire le complexe de fer à transition de spin) est fortement lié à un polymère passif. Afin de permettre l’actionnement par voie électrique (chauffage par effet Joule), des nanoparticules métalliques peuvent être incorporées dans la couche polymérique “inactive”. L’expansion différentielle des deux strates due à la transition de spin et au changement de volume associé peut entrainer un mouvement de flexion. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence des performances d’actionnement et en particulier une densité de travail très prometteuse par rapport à d’autres classes de matériaux mis en œuvre dans ce domaine. En effet, en utilisant une simple commande PID, ces actionneurs moléculaires permettent une réponse rapide de l’ordre de la seconde et peuvent maintenir une capacité de positionnement précis sur plus de 35000 cycles thermiques avec à une puissance de travail d’environ 4 J/cm³. De manière cruciale, nous constatons que le couplage mécanique entre les particules à transition de spin et la matrice peut augmenter considérablement la course des actionneurs. En particulier, nous montrons que l’anisotropie structurale et morphologique des nano-objets à transition de spin permettent de canaliser très efficacement la déformation dans une direction de l’espace.

Sur le plan fondamental, nous déterminons les paramètres mécaniques pertinents des matériaux à transition de spin et des matériaux composites par des analyses mécaniques dynamiques (DMA), et en utilisant des techniques de pointe comme la Microscopie à Force Atomique (AFM) et la nano-indentation. Ces analyses sont complétées par des mesures de diffraction de rayons X sous hautes pression et par spectrométrie Mössbauer. Une approche théorique est aussi utilisée (théorie des milieux continus ainsi que la DFT et la modélisation moléculaire).

Cet axe de recherche est financé par le projet ERC E-MOTION