Des chercheurs développent un gel métallique pour l’impression 3D

Une équipe de chercheurs a créé un gel métallique hautement conducteur qui pourrait changer la donne dans le domaine de l’impression 3D. Cette avancée, à la frontière de la science des matériaux et de la technologie d’impression, ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de composants électroniques et de dispositifs divers.

Un gel métallique pour l’impression 3D à température ambiante

« L’impression 3D a révolutionné la fabrication, mais nous ne connaissons pas de technologies précédentes qui permettaient d’imprimer des objets métalliques 3D à température ambiante en une seule étape », commente Michael Dickey, co-auteur principal d’un article sur le travail et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université d’État de Caroline du Nord.

Pour créer ce gel métallique, les chercheurs commencent par une solution de particules de cuivre de taille micrométrique suspendues dans de l’eau. Ils ajoutent ensuite une petite quantité d’un alliage d’indium-gallium, qui est un métal liquide à température ambiante. Le mélange résultant est alors agité.

Le fonctionnement de ce gel innovant

Au fur et à mesure de l’agitation, les particules de cuivre et le métal liquide adhèrent essentiellement l’un à l’autre, formant un « réseau » de gel métallique dans la solution aqueuse. « Cette consistance de type gel est importante, car cela signifie que vous avez une répartition assez uniforme des particules de cuivre dans tout le matériau », explique encore Michael Dickey.

Cela fait deux choses. Premièrement, cela signifie que le réseau de particules se connecte pour former des chemins électriques. Deuxièmement, cela signifie que les particules de cuivre ne se déposent pas de la solution et n’obstruent pas l’imprimante. Le gel résultant peut être imprimé à l’aide d’une buse d’impression 3D classique et conserve sa forme lorsqu’il est imprimé.

Des propriétés inattendues en chauffant l’objet imprimé

Lorsqu’il est laissé sécher à température ambiante, l’objet 3D résultant devient encore plus solide tout en conservant sa forme. Cependant, si les utilisateurs décident d’appliquer de la chaleur à l’objet imprimé pendant son séchage, des phénomènes intéressants peuvent se produire.

Les chercheurs ont découvert que l’alignement des particules influence la manière dont le matériau sèche. Par exemple, si vous imprimez un objet cylindrique, les côtés se contracteront plus que le haut et le bas lors du séchage. Si quelque chose sèche à température ambiante, le processus est suffisamment lent pour ne pas créer de changement structurel dans l’objet.

Cependant, si vous appliquez de la chaleur – par exemple, en le plaçant sous une lampe chauffante à 80 degrés Celsius – le séchage rapide peut causer une déformation structurelle. Comme cette déformation est prévisible, cela signifie que vous pouvez faire changer de forme un objet imprimé après son impression en contrôlant le motif de l’objet imprimé et la quantité de chaleur à laquelle l’objet est exposé pendant son séchage.

Les implications de cette technologie de pointe

« Finalement, ce type d’impression à quatre dimensions – les trois dimensions traditionnelles, plus le temps – est un outil supplémentaire qui peut être utilisé pour créer des structures aux dimensions souhaitées », précise Michael Dickey. « Mais ce qui nous enthousiasme le plus à propos de ce matériau, c’est sa conductivité. »

« Comme les objets imprimés finissent par être jusqu’à 97,5% de métal, ils sont hautement conducteurs. Ce n’est évidemment pas aussi conducteur qu’un fil de cuivre conventionnel, mais il est impossible d’imprimer en 3D du fil de cuivre à température ambiante. Et ce que nous avons développé est de loin plus conducteur que tout ce qui peut être imprimé. Nous sommes plutôt enthousiasmés par les applications ici. »

En synthèse

Cette innovation réside donc dans la possibilité d’imprimer en 3D des objets en gel métallique, hautement conducteurs, à température ambiante. Bien que la conductivité ne soit pas aussi forte que celle du cuivre traditionnel, elle est nettement supérieure à celle des autres matériaux imprimables. En outre, l’objet imprimé peut changer de forme après impression en contrôlant le motif de l’objet et la quantité de chaleur à laquelle il est exposé pendant son séchage.

Cependant, comme toute nouvelle technologie, des recherches supplémentaires seront nécessaires pour en explorer pleinement les potentialités et les implications possibles dans divers domaines, notamment l’électronique. Les chercheurs sont ouverts à la collaboration avec des partenaires industriels pour explorer les applications potentielles de cette technologie innovante.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le gel métallique ? Il s’agit d’un matériau créé en mélangeant des particules de cuivre et un alliage d’indium-gallium, formant un réseau de gel métallique dans une solution aqueuse. Ce gel peut être imprimé en 3D à température ambiante.

Quelles sont les applications possibles de cette technologie ? Bien que la pleine portée des applications possibles ne soit pas encore claire, elle pourrait être utilisée pour la fabrication de composants électroniques et de divers dispositifs grâce à sa haute conductivité.

Quels sont les avantages de ce gel par rapport aux fils de cuivre traditionnels ? Ce gel est plus conducteur que tout autre matériau qui peut être imprimé en 3D, et peut être imprimé à température ambiante, ce qui n’est pas possible avec le fil de cuivre.

Légende illustration principale : Des chercheurs ont mis au point un gel métallique hautement conducteur d’électricité qui peut être utilisé pour imprimer des objets solides en trois dimensions (3D) à température ambiante. Les objets imprimés peuvent être conçus pour changer de forme au fur et à mesure que le gel sèche, un phénomène appelé « impression 4D », la quatrième dimension étant le temps. Cette image montre une araignée métallique imprimée à température ambiante à l’aide du gel métallique, qui s’est assemblée et solidifiée pour prendre sa forme finale en 3D grâce à l’impression 4D. Crédit Michael Dickey, NC State University

L’article, intitulé « Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing« , sera publié le 5 juillet dans la revue Matter. Le premier auteur de l’article est Ruizhe Xing, ancien chercheur invité à NC State, affilié à l’université polytechnique du Nord-Ouest et à l’université de Tianjin. Les co-auteurs de l’article sont Dickey, de NC State, et Renliang Huang et Wei Qi de l’université de Tianjin. L’article a été cosigné par Jiayi Yang, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université des sciences et technologies de Xi’an ; Dongguang Zhang, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université technologique de Taiyuan ; Wei Gong, ancien chercheur invité à NC State, actuellement à l’université nationale de Singapour ; Taylor Neumann, ancien doctorant à NC State ; Meixiang Wang, chercheur postdoctoral à NC State ; et Jie Kong, de l’université polytechnique du Nord-Ouest.