Chauffer un matériau le fait généralement gonfler. Des scientifiques de l’équipe ‘‘Matériaux Moléculaires Commutables’’ montrent qu’en combinant intelligemment deux matériaux distincts au sein d’une structure particulière, on peut en fait provoquer soit une expansion, soit une contraction spectaculaire, bien au-delà de ce que les matériaux seuls peuvent produire. Cette approche, publiée dans Advanced Materials, ouvre la voie à une nouvelle génération d’actionneurs et muscles artificiels à base de matériaux stimulables imprimés en 3D.

De la molécule au mouvement macroscopique

L’objectif des chercheurs était d’exploiter les propriétés uniques des complexes de fer à transition de spin (SCO), qui subissent une variation de volume de l’ordre de 10% de la maille élémentaire lors de leur transition entre deux états électroniques. Pour cela, ils ont d’abord synthétisé des particules de complexes de fer à transition de spin anisométriques, en forme de bâtonnets, présentant par ailleurs un changement de volume anisotropique. Ces particules, à base de [Fe(II)(4-NH₂-1,2,4-triazole)₃]SO₄, ont été choisies pour leur transition de spin réversible et légèrement au-dessus de l’ambiante, une température compatible avec des applications pratiques.

L’étape suivante était d’incorporer ces particules dans une matrice de thermoplastique polyuréthane (TPU), un polymère souple et résistant afin d’élaborer des matériaux composites polymères à transition de spin. Le composite résultant, SCO@TPU, conserve les propriétés de transition de spin au-dessus de la température ambiante, tout en étant facile à mettre en forme. En s’appuyant sur la modélisation mécanique, cela leur a permis de choisir le design efficace et la prédiction des propriétés attendues.

L’alignement et l’impression 3D : clés de l’amplification du mouvement

Les chercheurs ont aligné les particules anisométriques dans les matériaux composites grâce à des procédés de coulage et d’extrusion. Cet alignement permet de concentrer la déformation dans une direction privilégiée, comme les fibres dans un muscle. Ils ont ensuite élaboré des filaments composites avec un diamètre contrôlé adaptés à l’impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM).

Une approche bi-matériaux a été utilisée pour obtenir de nouveaux métamatériaux dont les performances de mouvement ont pu être modélisées. Les chercheurs ont combiné le composite SCO@TPU (matériau actif) avec un TPU plus rigide (matériau passif) pour concevoir des structures architecturées et optimisées par modélisation mécanique, où la géométrie des cellules unitaires (comme des losanges) permet de programmer le sens et l’amplitude de la déformation. Les simulations par éléments finis ont prédit que ces structures pouvaient atteindre une amplification de mouvement significative, avec un facteur de « magnification » de 14 par rapport à une structure similaire mono-matériau.

Obtention de métamatériaux aux performances record

Grâce à l’impression 3D de matériaux composites à transition de spin par FDM, les chercheurs ont obtenu des structures 4D capables de se déformer de manière spectaculaire et réversible sous l’effet de la chaleur. Les résultats sont sans précédent :

• Expansion positive jusqu’à +10 % (coefficient de dilatation thermique de +14 400 ppm/°C).
• Contraction négative jusqu’à -8 % (coefficient de -11 400 ppm/°C).
• Robustesse : déformations répétables sur plusieurs cycles thermiques.

Ces métamatériaux 4D ouvrent des perspectives prometteuses et passionnantes pour des applications en robotique souple, où ils pourraient servir d’actionneurs légers et auto-alimentés, ou en aérospatiale, pour des structures déployables et reconfigurables. Leur multifonctionnalité (changement de couleur, de rigidité et de volume) et leur versatilité (le composé actif et le polymère peuvent être modifiés pour faire varier la température d’actionnement, l’amplitude de la déformation ou la force qui en découle) en font également des candidats idéaux pour diverses applications et en particulier dans le cadre du développement de textiles intelligents.

Cette étude représente une rupture technologique originale car elle montre pour la première fois que le phénomène de transition de spin peut être utilisé à l’échelle macroscopique grâce à l’impression 3D, accompagnée par une modélisation mécanique sérieuse. Les scientifiques ont mis en évidence qu’il est possible de concevoir des matériaux ainsi que des métamatériaux qui imitent le fonctionnement des muscles. Les chercheurs prévoient désormais d’optimiser davantage les performances en ajustant la composition chimique des complexes SCO et en explorant des architectures plus complexes, notamment en intégrant des modules électroniques de contrôles intelligents pour l’automatisme.

 

Cette publication a fait l’objet d’une Actualité de CNRS Chimie.