Expansion colossale de nano-composites: vers le muscle artificiel

Publié par Adrien le 18/10/2021 à 09:00
Source: CNRS INC
Le développement de muscles artificiels ou autres systèmes actionnables repose sur l'élaboration de matériaux à la fois souples et stimulables qui se déforment de façon réversible et contrôlée sous l'action d'un stimulus extérieur comme la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...), une excitation électrique...


Preuve de concept d'un actionneur souple à base de polymère et de particules à transition de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) sous l'effet d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) (effet électrothermique). La lame soulève une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) équivalente à 9 fois son propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...). Reproduced with permission from the Royal Society of Chemistry (La Royal Society of Chemistry est une société savante située au Royaume-Uni dont le but est...).

Des scientifiques du LCC et du LAAS (CNRS) ont récemment mis au point (Graphie) de tels actionneurs souples à base de polymères dans lesquels ils ont dispersé des particules rigides à transition de spin qui s'allongent avec la température. Le choix de particules en forme d'aiguilles, dispersées et alignées dans la matrice souple, a permis d'obtenir une amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) exceptionnelle de la déformation dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de l'alignement, supérieure à celle attendue pour le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) actif pur. Ces résultats, publiés dans la revue Materials Horizons, ouvrent de nombreuses perspectives en robotique douce.

La robotique douce est un domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en pleine croissance qui utilise des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) souples et flexibles capables de se tordre, se plier, se déformer, se déplacer ou adapter leur forme de manière à accomplir des tâches. Les applications sont nombreuses, notamment en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) pour l'élaboration de muscles artificiels. Les matériaux les plus étudiés pour de tels actionneurs souples sont les élastomères diélectriques, les polymères conducteurs, les matériaux piézo/ferroélectriques, les fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) et fils de polymères enroulés ou torsadés, les matériaux à mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) de forme etc. Selon le mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) sous-jacent, ils peuvent être actionnés par divers stimuli comme un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) ou magnétique, la température, la pression, l'humidité ou une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) lumineuse. Chaque famille de matériaux présente ses avantages et ses inconvénients, mais le défi commun reste la nécessité de combiner des propriétés souvent opposées comme la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et la souplesse ou la précision et l'adaptabilité, défi qui nécessite en général d'élaborer des matériaux composites.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), des scientifiques du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de coordination (CNRS) ont récemment élaboré des composites à base de polymères souples dans lesquels sont dispersées des particules rigides à transition de spin (TS). L'actionnement de ces particules repose sur un changement substantiel de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) avec la température, qui résulte de l'excitation des molécules qui les composent d'un état de spin bas vers un état de spin haut.

Afin de canaliser cette déformation associée au phénomène de transition de spin dans une seule dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) pour en amplifier l'effet, les chercheurs ont synthétisé des particules à très fort rapport d'aspect en forme d'aiguilles qu'ils ont ensuite dispersées en les alignant dans la matrice polymère. Cette approche pionnière s'est avérée puissante et a permis d'obtenir des déformations exacerbées dans des matériaux composites contenant 25 % en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'aiguilles.

Etonnamment, les déformations mesurées dans le sens de l'alignement des aiguilles sont supérieures à la déformation maximale réalisable dans le matériau actif pur. Cette amplification provient principalement des interactions élastiques entre les particules rigides et la matrice molle. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de travail élevée et le coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) colossal qui en résultent font de ces matériaux composites d'excellents candidats pour des actionneurs souples. En collaboration avec des chercheurs du Laboratoire d'analyse et d'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) des systèmes (CNRS), l'excellente contrôlabilité et durée de vie (La vie est le nom donné :) (plusieurs dizaines de milliers de cycles d'actionnement) de ces actionneurs a pu être démontrée.

Référence:
Colossal expansion and fast motion in spin-crossover@polymer actuators
Mario Piedrahita-Bello, José Elias Angulo Cervera, Alejandro Enriquez-Cabrera, Gábor Molnár, Bertrand Tondu, Lionel Salmon et Azzedine Bousseksou, Materials Horizons 12 octobre 2021.
DOI:10.1039/d1mh00966d.
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