Une équipe de chercheurs Hongkongais a mis au point une technique innovante pour produire des céramiques cellulaires complexes. L’approche s’inspire des diatomées, algues microscopiques, et pourrait transformer la conception de matériaux céramiques pour diverses applications en énergie, électronique et biomédecine.
Une approche en deux étapes pour dépasser les limites de l’impression 3D
L’équipe dirigée par le professeur associé Yang Zhengbao a développé une stratégie de traitement en deux étapes assistée par la tension superficielle (STATS) pour fabriquer des céramiques cellulaires avec des configurations 3D programmées. La méthode comprend :
1. La préparation de réseaux organiques cellulaires à l’aide de l’impression 3D pour créer les structures de base.
2. Le remplissage de réseaux avec une solution précurseur contenant les éléments céramiques nécessaires.
L’innovation majeure réside dans l’utilisation de la tension superficielle, un phénomène naturel, pour contrôler la géométrie du liquide dans les réseaux cellulaires. Le Pr Yang explique : «Notre stratégie surmonte les limitations des méthodes de fabrication conventionnelles et permet la création d’architectures céramiques programmables et géométriquement complexes.»
Des avantages significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles
La méthode STATS présente plusieurs avantages :
– Séparation de la synthèse des ingrédients et de la construction de l’architecture, permettant une fabrication programmable de céramiques cellulaires avec diverses tailles de cellules, géométries, densités et structures.
– Applicabilité à la fois aux céramiques structurelles (comme l’Al2O3) et fonctionnelles (comme le TiO2, BiFeO3, BaTiO3).
– Réduction des micropores et amélioration de la compacité locale dans les céramiques cellulaires frittées, grâce à une diminution significative des composants organiques dans la matière première.
Des performances piézoélectriques améliorées
Les chercheurs ont étudié les performances piézoélectriques des céramiques cellulaires produites par la méthode STATS. Ils ont constaté que l’approche permettait d’obtenir des céramiques piézoélectriques globalement poreuses mais localement compactes, atteignant une constante piézoélectrique d33 relativement élevée (environ 200 pC N-1) même avec une porosité globale très élevée (supérieure à 90%).
Le Pr Yang révèle : «Notre méthode a été inspirée par les diatomées, des algues unicellulaires caractérisées par leur frustule en silice, ou paroi cellulaire externe. Grâce à un processus de biominéralisation génétiquement programmé, leurs frustules présentent des structures très précises avec une grande variété de morphologies, formes, géométries et distributions de pores.»
Des applications potentielles dans de nombreux domaines
Le Pr Yang souligne : «Cette nouvelle approche peut aider à traiter de nombreuses céramiques cellulaires structurelles et fonctionnelles, contribuant à des applications impliquant des filtres, des capteurs, des actionneurs, la robotique, des électrodes de batterie, des cellules solaires et des dispositifs bactéricides.»
Il ajoute : «La philosophie de l’ingénierie de l’interface fluide pour la fabrication solide offre également une nouvelle solution pour combiner le traitement interfacial avec la fabrication innovante, éclairant le développement synergique de la conception avancée et des matériaux intelligents.»
Dr. Hong Ying, l’un des premiers auteurs de l’étude, déclare : «Notre technique STATS représente une avancée significative dans la fabrication de céramiques cellulaires. Elle offre un contrôle sans précédent sur la structure et les propriétés des matériaux, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités dans divers domaines technologiques.»
Cette étude, intitulée «A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics», a été publiée dans la revue multidisciplinaire de premier plan Nature Communications.
Légende illustration : (YANG Zhengbao, professeur associé de génie mécanique et aérospatial à la HKUST, avec les membres de son équipe de recherche, le Dr HONG Ying, le Dr LIU Shiyuan et le Dr YANG Xiaodan. Crédit HKUST
Article : ‘A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics’ / ( 10.1038/s41467-024-49345-3 ) – Hong Kong University of Science and Technology – Publication dans la revue Nature Communications
