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Derrière le simple titre d’article « Fabrication additive d’aérogels de silice » publié dans la revue Nature se cache une conception révolutionnaire : les aérogels (des matériaux semblables à du gel où le composant liquide est remplacé par du gaz) de silice, qui sont des mousses légères et poreuses qui offrent une excellente isolation thermique. En pratique, ils sont également connus pour leur comportement cassant (il s’agit d’un solide à très faible densité), c’est pourquoi ils sont généralement renforcés avec des fibres ou avec des polymères organiques (ou biopolymères) pour des applications à grande échelle.

En raison de leur comportement à la rupture fragile, il n’est pas non plus possible de scier ou de fraiser de petites pièces à partir d’un bloc d’aérogel plus grand. La solidification directe du gel dans des moules miniaturisés n’est pas non plus fiable, ce qui entraîne des taux de rebut élevés. C’est pourquoi les aérogels sont difficilement utilisables pour des applications à petite échelle. En effet, jusqu’à présent, ils ont surtout été utilisés à grande échelle, par exemple dans le cadre de technologies environnementales, d’expériences physiques ou dans la catalyse industrielle.

Des microstructures stables et bien formées

L’équipe de chercheurs de l’EMPA (Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche ; une institution suisse vouée à la science appliquée des matériaux et à la technologie), dirigée par Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait et Matthias Koebel, a maintenant réussi à produire des microstructures stables et bien formées à partir d’aérogel de silice en utilisant une imprimante 3D. De ce fait, les chercheurs ont réussi à rendre les aérogels accessibles à la microélectronique et à la mécanique de précision.

Ces structures imprimées peuvent être aussi fines qu’un dixième de millimètre. La conductivité thermique de l’aérogel de silice est légèrement inférieure à 16 mW/(m*K) – seulement la moitié de celle du polystyrène et même nettement inférieure à celle d’une couche d’air immobile, qui est de 26 mW/(m*K). En même temps, le nouvel aérogel de silice imprimé a des propriétés mécaniques encore meilleures et peut même être percé et fraisé. Cela offre donc des possibilités complètement nouvelles dans le domaine du post-traitement des moulages d’aérogel imprimés en 3D et également de nombreuses possibilités d’application dans l’industrie de haute technologie, par exemple dans la microélectronique, la robotique, la biotechnologie et la technologie des capteurs.

Avec le procédé mis au point, pour lequel une demande de brevet a maintenant été déposée, il est possible d’ajuster avec précision les propriétés d’écoulement et de solidification de l’encre de silice à partir de laquelle l’aérogel est ultérieurement produit, de sorte que les structures autoportantes et les membranes ultraminces puissent être imprimées. À titre d’exemple de structures en surplomb, les chercheurs ont imprimé des feuilles et des fleurs d’une fleur de lotus.

impression 3d aerogel

Pour démontrer que de fines structures d’aérogel peuvent être produites en impression 3D, les chercheurs ont imprimé une fleur de lotus en aérogel. Crédits : EMPA

L’objet de test flotte à la surface de l’eau en raison des propriétés hydrophobes et de la faible densité de l’aérogel de silice – tout comme son modèle naturel. Cette nouvelle technologie a également permis, pour la première fois, d’imprimer des microstructures multimatériaux complexes en 3D.

Des matériaux isolants pour la microtechnique et la médecine

Avec de telles structures, il est maintenant relativement simple d’isoler thermiquement même les plus petits composants électroniques les uns des autres. Les chercheurs ont pu démontrer de manière impressionnante le blindage thermique d’un composant thermosensible et la gestion thermique d’un « point chaud » local.

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Une autre application possible est le blindage des sources de chaleur à l’intérieur des implants médicaux, qui ne doivent pas dépasser une température de surface de 37 degrés afin de protéger les tissus corporels.

bouclier impression 3d aerogel

Un minuscule bouclier d’aérogel fabriqué sur mesure peut efficacement protéger les composants électroniques de la chaleur. Ces images thermiques montrent comment la chaleur d’un régulateur de tension sur une carte mère est isolée (à gauche sans isolation, au milieu avec une bande d’aluminium, à droite avec un bloc d’aérogel personnalisé et imprimé en 3D). À noter que le rouge/violet représente des températures élevées, et le vert/bleu des températures basses. Crédits : EMPA

Une membrane d’aérogel fonctionnelle

L’impression 3D permet de produire des combinaisons multicouches/multimatériaux de manière beaucoup plus fiable et reproductible. De nouvelles structures fines d’aérogel deviennent réalisables et ouvrent de nouvelles solutions techniques, comme le montre un deuxième exemple d’application : en utilisant une membrane d’aérogel imprimée, les chercheurs ont construit une pompe à gaz « thermo-moléculaire ». Cette pompe de perméation fonctionne sans aucune pièce mobile et est également connue de la communauté technique sous le nom de pompe de Knudsen, du nom du physicien danois Martin Knudsen.

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Le principe de fonctionnement repose sur le transport restreint du gaz dans un réseau de pores nanométriques ou de canaux unidimensionnels dont les parois sont chaudes à une extrémité et froides à l’autre. L’équipe a construit une telle pompe à partir d’aérogel dopé (d’un côté) avec des nanoparticules d’oxyde de manganèse noir. Lorsque cette pompe est placée sous une source lumineuse, elle devient chaude du côté obscur et commence à pomper des gaz ou des vapeurs de solvant.

Une purification de l’air sans pièces mobiles

Ces applications montrent de manière impressionnante les possibilités de l’impression 3D : l’impression 3D transforme l’aérogel, qui est un matériau de haute performance, en un matériau de construction pour membranes fonctionnelles qui peut être rapidement modifié pour s’adapter à un large éventail d’applications.

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La pompe de Knudsen, qui est entraînée uniquement par la lumière du Soleil, peut faire plus que simplement pomper : si l’air est contaminé par un polluant ou une toxine environnementale telle que le solvant toluène, l’air peut circuler plusieurs fois à travers la membrane et le polluant est alors chimiquement décomposé par une réaction catalysée par les nanoparticules d’oxyde de manganèse.

De telles solutions autocatalytiques solaires sont particulièrement intéressantes dans le domaine de l’analyse et de la purification de l’air à très petite échelle, en raison de leur simplicité et de leur durabilité. Les chercheurs de l’EMPA recherchent désormais des partenaires industriels souhaitant intégrer des structures d’aérogel imprimées en 3D dans de nouvelles applications high-tech.

Source : Nature

impression 3d aerogel

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