Microsculptures imprimées en 3D avec des « encres » macromoléculaires avancées

Lorsque nous pensons à l’impression 3D, notre esprit saute souvent aux buses chaudes qui projettent du plastique fondu. D’autres techniques populaires incluent le flashage d’une lumière vive dans la résine ou l’utilisation de lasers pour fusionner des poudres métalliques. Toutes ces techniques sont excellentes pour produire des pièces aux géométries complexes à l’échelle d’un ordinateur de bureau.

Cependant, il est également possible d’imprimer en 3D à des échelles tout à fait microscopiques. Des chercheurs allemands ont maintenant développé des « encres » macromoléculaires avancées qui peuvent être utilisées pour créer des sculptures 3D microscopiques avec un contrôle plus fin que jamais.

Exigences rigoureuses

Des encres macromoléculaires ont été produites avec des structures rigoureuses et utilisées pour imprimer des buckyballs pour des tests mécaniques et chimiques. Crédit : Catt, Hackner, Spatz, Blasco, 2023

À la pointe de l’impression 3D, l’équipe d’Eva Blasco à l’Université de Heidelberg a réussi à créer des structures imprimées en 3D avec des séquences moléculaires méticuleusement conçues. Cette technique fait écho à la précision trouvée dans les polymères dans le monde naturel – semblable à la façon dont l’ADN peut coder pour des acides aminés précisément spécifiques de composition rigoureuse.

Les chercheurs ont d’abord conçu méticuleusement la séquence moléculaire de leurs encres, dans le but d’obtenir un contrôle sans précédent des propriétés fondamentales du produit imprimé. En termes plus simples, Blasco et son équipe ont travaillé pour organiser les molécules dans une séquence personnalisée afin de créer des structures uniques aux propriétés exigeantes.

L’équipe de Blasco a créé une série d’encres, chacune avec des permutations uniques de huit unités moléculaires, pour observer comment le changement de séquence affecte les propriétés des structures imprimées. Ceux-ci sont appelés polymères à définition de séquence ou à définition macromoléculaire dans la littérature scientifique. Ils nécessitent souvent une synthèse chimique complexe afin de produire des molécules avec la structure précise souhaitée. Ces molécules de précision pourraient avoir des applications plus larges dans des domaines tels que le stockage de données, la cryptographie ou les applications pharmaceutiques, en supposant que les chercheurs puissent maîtriser leur manipulation au niveau moléculaire.

Dans le cas des recherches de Blasco, l’objectif était de déterminer si différentes macromolécules définies par séquence pouvaient créer des matériaux aux propriétés variables. L’objectif était de concevoir avec précision les molécules pour qu’elles soient adaptées à un processus de type impression 3D appelé impression laser à deux photons, ou 2PLP. Actuellement populaire comme outil pour travailler avec la microfluidique et la micro-optique, il peut être utilisé pour créer de minuscules structures au niveau microscopique. La lumière laser focalisée est utilisée pour polymériser un matériau à un endroit précis, encore et encore, pour construire des structures 3D. Dans l’état actuel des choses, les matériaux commerciaux actuellement disponibles pour cet usage sont considérés comme imprécis dans leur composition. Ainsi, l’objectif était de créer des encres moléculairement exactes pour ce processus de polymérisation.

L’équipe de recherche a créé trois séquences différentes de macromolécules à l’aide d’unités (B) non fonctionnelles et photoréticulables (C). Les séquences utilisées étaient alternées (BCBCBCBC), tribloc (CCBBBBCC) et bloc (BBBBCCCC). Les changements de séquence ont eu des effets directs sur l’imprimabilité des encres, en raison des structures distinctes au niveau moléculaire.

Les sculptures 3D produites avec les encres alternées, tribloc et bloc, respectivement. Crédit : Catt, Hackner, Spatz, Blasco, 2023

Les encres ont été utilisées pour imprimer une variété de microstructures qui ont ensuite été évaluées pour leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ceci a été réalisé avec des tests de nanoindentation et la spectroscopie Raman, respectivement. Il a fallu une certaine finesse, à la fois dans la synthèse et le contrôle du processus d’impression laser, mais l’équipe a pu produire une variété de structures en utilisant les nouvelles encres.

Notamment, les résultats ont montré que la structure alternée présentait la meilleure imprimabilité des trois testées. La structure en bloc avait le module d’Young le plus bas, surpassé par le tribloc, la séquence alternée affichant le résultat le plus élevé et présentant ainsi la plus grande rigidité. Pendant ce temps, l’analyse chimique a montré que la structure en bloc nécessitait la puissance laser la plus élevée pour produire des structures stables, tandis que la version alternée produisait des impressions stables avec des puissances laser inférieures et un degré de réticulation inférieur.

Les tests initiaux ci-dessus ont été effectués sur de simples structures de buckyball imprimées avec la méthode 2PLP. Cependant, pour mieux mettre en valeur les performances des encres, l’équipe de recherche a également imprimé en 3D des structures plus complexes, similaires à la manière dont le modèle de référence Benchy est utilisé pour obtenir une vue globale des performances d’une imprimante 3D ordinaire. Les chercheurs ont imprimé un modèle de toucan en utilisant l’encre à structure alternée, montrant un grand surplomb de 10 um sur le bec de l’oiseau. L’encre tribloc a été utilisée pour imprimer un koala, montrant une fourrure finement détaillée, tandis qu’un modèle de kangourou imprimé avec l’encre en bloc démontre à nouveau des surplombs réussis et des détails fins.

La valeur de cette recherche est qu’elle montre que des encres viables à séquence définie peuvent être produites pour le processus de micro-impression 2PLP. Après tout, il est logique que vous souhaitiez contrôler vos encres à un niveau aussi fin que possible lors de la production de caractéristiques à l’échelle du micromètre. Alors que la technologie a été démontrée avec la production de microsculptures simples, ces techniques pourraient s’avérer vitales pour une variété de petites tâches de fabrication. Que vous envisagiez la production de minuscules composants optiques, d’outils microfluidiques ou de microrobotique, il est essentiel de disposer du contrôle ultime sur les propriétés des matériaux au niveau moléculaire.

François Zipponi
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.fr. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.fr, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.fr.