L’art ancestral de l’origami, qui consiste à plier du papier bidimensionnel en formes tridimensionnelles, inspire aujourd’hui une nouvelle technique de conception de films bidimensionnels pouvant se plier en microsurfaces tridimensionnelles. Cette technique ouvrirait de nouvelles perspectives dans divers domaines technologiques comme la création de rétines artificielles.
Yihui Zhang de l’Université Tsinghua et ses collègues ont mis au point de nouveaux modèles de conception de micro-réseaux pour transformer des films minces bidimensionnels en surfaces courbes tridimensionnelles.
Dans la revue Nature, qui a rapporté l’étude, un auteur souligne que la stratégie de micro-réseau bio-inspirée « pourrait être exploitée pour construire des structures à partir de matériaux allant du silicium aux polymères en passant par le graphène ».
Des inspirations tirées de la géométrie naturelle
Il est parfois difficile d’aplatir une surface courbe en un plan sans étirer ou déchirer des parties, explique en substance Yihui Zhang. Un globe terrestre, par exemple, ne peut pas être transformé en une carte bidimensionnelle sans de graves distorsions de sa forme et des tailles relatives de nombreux pays.
Dans le cas des matériaux, un tel étirement non uniforme provoquerait des changements dans la structure atomique, modifiant les propriétés mécaniques et électroniques de la substance. Ces surfaces courbes sont dites ‘indéveloppables‘.
Une solution consiste à diviser la forme courbe en un réseau d’éléments plats discrets, un concept connu sous le nom de ‘discrétisation‘. Cette idée peut être observée dans les dômes de verre géométriques faits de réseaux de panneaux triangulaires. Mais à mesure que la forme tridimensionnelle devient plus compliquée, le réseau discrétisé bidimensionnel doit également devenir plus élaboré.
Façonner de nouveaux dispositifs
L’équipe a appliqué leur stratégie de conception de micro-réseaux à une large gamme de matériaux, dont des métaux, du graphène induit par laser, du chitosane (un matériau présent dans les exosquelettes d’insectes et de crustacés) et même une forme fragile de silicium monocristallin, qui était auparavant considérée comme impossible à façonner en raison de sa fragilité.
« Les microsurfaces en forme de poulpe et de fourmi sont mes structures 3D préférées issues de ce travail », déclare Yihui Zhang. « Elles ressemblent vraiment aux objets réels, tandis que leurs formes complexes démontrent les capacités puissantes de nos méthodes de programmation de formes basées sur les microréseaux »
En synthèse
La recherche de Zhang et de ses collègues ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de la technologie biomédicale, des batteries et de la catalyse. Leur travail pourrait notamment permettre le développement de dispositifs biomimétiques et biocompatibles, comme des rétines artificielles implantables « capables de fournir une imagerie haute résolution en détectant et en traitant les signaux provenant de cellules rétinales vivantes ».
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la discrétisation ?
La discrétisation est un concept qui consiste à diviser une forme courbe en un réseau d’éléments plats discrets.
Qu’est-ce qu’une surface indéveloppable ?
Une surface indéveloppable est une surface courbe qui ne peut pas être aplatie en un plan sans étirer ou déchirer des parties.
Qu’est-ce que le chitosane ?
Le chitosane est un matériau présent dans les exosquelettes d’insectes et de crustacés.
Qu’est-ce qu’une rétine artificielle ?
Une rétine artificielle est un dispositif biomimétique et biocompatible capable de fournir une imagerie haute résolution en détectant et en traitant les signaux provenant de cellules rétinales vivantes.
Qu’est-ce que le graphène induit par laser ?
Le graphène induit par laser est une forme de graphène produite par l’action d’un laser.
Références
Légende illustration : Les chercheurs de Tsinghua ont utilisé des micro-réseaux pour créer un modèle 2D qui peut être plié pour former cette pieuvre à l’échelle du millimètre.
1. Cheng, X., Fan, Z., Yao, S., Jin, T., Lv, Z. et al. Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs Science 379, 1225–1232 (2023) doi: 10.1126/science.adf3824
2. ‘Life’s wondrous forms recreated in graphene and more’ Accessed on 5 November 2023 at https://www.nature.com/articles/d41586-023-00878-5 doi: 10.1038/d41586-023-00878-5
