Manipulations sélectives complexes de matière programmable thermomagnétique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20767 (2022) Citer cet article

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La matière programmable peut modifier sa forme, sa rigidité ou d'autres propriétés physiques sur commande. Des travaux antérieurs ont montré une matière à commande optique ou un actionnement magnétique sans contact, mais le premier est limité en force et le second en résolution spatiale. Ici, nous montrons un niveau de contrôle sans précédent combinant des modèles lumineux et des champs magnétiques. Un mélange de poudre thermoplastique et ferromagnétique est chauffé à des endroits spécifiques qui deviennent malléables et sont attirés par les champs magnétiques. Ces zones chauffées se solidifient en refroidissant et le processus peut être répété. Nous montrons un contrôle complexe de dalles 3D, de feuilles 2D et de filaments 1D avec des applications dans les écrans tactiles et la manipulation d'objets. En raison de la faible température de transition et de la possibilité d'utiliser le chauffage par micro-ondes, le composé peut être manipulé dans l'air, l'eau ou à l'intérieur de tissus biologiques, ce qui pourrait potentiellement révolutionner les dispositifs biomédicaux, la robotique ou les technologies d'affichage.

La matière programmable peut modifier la forme, la densité, les modules ou d'autres propriétés physiques de manière programmatique1. Ces changements sont contrôlés de l’extérieur ou déclenchés par une détection et un traitement intégrés au matériau2. Les deux principales approches de mise en œuvre de la matière programmable sont : les robots modulaires3, qui apportent plus d'intelligence ; et un actionnement externe4, qui donne une résolution spatiale et une évolutivité plus élevées. La matière programmable recèle des applications révolutionnaires dans les domaines de l’ingénierie et de la médecine, mais la granularité qui peut être atteinte dans ses manipulations est encore très limitée.

La lumière a été utilisée comme méthode d’actionnement externe. Les matériaux combinés aux azobencenes5 sont activés lorsqu’ils sont éclairés. Par exemple, déclencher un mouvement lorsqu'un objet réfléchissant ou opaque s'approche du matériau6, ou permettre la locomotion sur des filaments et des cylindres lorsqu'ils sont éclairés par des motifs lumineux dynamiques7. D’un autre côté, la chaleur générée par la lumière peut déplacer de petits objets à la surface de l’eau en raison des gradients de température8 ou changer de phase dans les alliages à mémoire de forme9. L'actionnement par la lumière ou son effet thermique présente une résolution spatiale élevée étant donné la technologie existante pour projeter des images, mais la force d'actionnement est relativement faible et après l'actionnement, l'ensemble du matériau revient à son état initial ou conserve un état irréversible. De plus, la lumière ne peut pas traverser les matériaux opaques.

Les champs magnétiques sont un autre moyen de contrôler la matière à distance. Un fil flexible de polymère contenant de la poudre magnétique peut être dirigé à distance pour naviguer dans des environnements déformés10, des feuilles de matériaux flexibles incrustées de particules ferromagnétiques ou magnétiques peuvent être translatées et fléchies de manière contrôlée pour la locomotion11,12, un tapis constitué de cils magnétiques peut être actionné pour contrôler les objets qui se trouvent dessus13, et la boue magnétique peut être déplacée magnétiquement pour piéger et transporter d'autres objets14. L'actionnement magnétique est puissant et peut traverser des matériaux non métalliques. Il n'est cependant pas possible d'obtenir une résolution spatiale élevée puisque les champs magnétiques ne restent pas focalisés à distance. Pour un meilleur contrôle, l'attraction ou la répulsion magnétique sur le matériau peut être modulée en le chauffant jusqu'à sa température de Curie, soit par la lumière15, soit par induction électromagnétique16, mais ces méthodes sont appliquées sur toute la surface ne permettant pas de manipulations fines. Le métal liquide peut être traduit en gouttelettes17 par des champs magnétiques externes, et lorsqu'ils sont combinés dans une suspension magnétorhéologique, il peut également changer de rigidité18, servant de connexion électrique dynamique dans des circuits reconfigurables.

Ici, nous montrons des niveaux de contrôle sans précédent en manipulant la matière en utilisant une combinaison de modèles spatiaux thermiques et d'actionnement magnétique sur un matériau composite constitué d'une matrice de thermoplastique réversible à basse température (Polycaprolactone, PCL) mélangée à de la poudre ferromagnétique (particules de fer), voir " Méthodes » « Mélange de composés ».