Mémoire de forme pour nano-objets
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont obtenu pour la première fois un effet de mémoire de forme sur des objets d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement. Cela peut être utilisé pour fabriquer des machines minuscules et des petits robots à l'échelle nanométrique.
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Les alliages qui peuvent revenir à leur structure initiale après avoir été déformés possèdent ce que l'on appelle une mémoire de forme. Ce phénomène et les forces qui en résultent sont appliqués dans de nombreux systèmes d'entra?nement mécaniques, par exemple dans les générateurs ou les pompes hydrauliques. Toutefois, cet effet de mémoire de forme n'a pas pu être utilisé jusqu'à présent à l'échelle nanométrique : Dans de nombreux alliages à mémoire de forme, les objets ne reprennent leur forme initiale que si leur taille est supérieure à 50 nanomètres environ.
Des chercheurs dirigés par Salvador Pané, professeur de matériaux robotiques à l'ETH Zurich, et Xiang-Zhong Chen, scientifique dans ce groupe, ont réussi à contourner cette restriction à l'aide de matériaux céramiques. Dans une étude publiée dans la revue spécialisée page externeCommunications de la nature ils démontrent l'effet de mémoire de forme sur une couche d'une vingtaine de nanomètres d'épaisseur composée de matériaux appelés oxydes ferro?ques. Cette réalisation permet désormais d'appliquer l'effet de mémoire de forme à des machines minuscules à l'échelle nanométrique.
Une structure spéciale est nécessaire
A première vue, les oxydes ferroélectriques semblent peu adaptés à l'effet de mémoire de forme : à grande échelle, ils sont fragiles et pour en faire des couches très fines, il faut généralement les appliquer sur un matériau support, ce qui les rend inflexibles. Pour pouvoir tout de même provoquer l'effet de mémoire de forme, les chercheurs ont utilisé deux oxydes différents, le titanate de baryum et la pierre de fer cobaltique, dont ils ont déposé brièvement de fines couches sur un matériau support avant de les en détacher. Les propriétés réticulaires des deux oxydes diffèrent considérablement. Une fois que les chercheurs ont détaché la bande contenant les deux couches minces du matériau de support, la tension entre les deux substances a créé une structure torsadée en spirale.
Les structures nanométriques d'oxydes ferro?ques ainsi produites sont très élastiques, résistent aux charges et permettent des mouvements flexibles. En outre, ils ont montré un effet de mémoire de forme : lorsque les chercheurs ont exercé une force de traction mécanique sur la structure, celle-ci s'est étirée et s'est déformée de manière permanente. Les scientifiques ont ensuite dirigé un faisceau d'électrons d'un microscope électronique à balayage sur la structure déformée ; elle est revenue à sa forme initiale. L'énergie électrique a donc déclenché un effet de mémoire de forme. L'épaisseur de la couche d'une vingtaine de nanomètres est la plus petite taille d'échantillon sur laquelle un tel effet a jamais été observé.
Normalement, dans d'autres exemples, l'effet de mémoire de forme est déclenché par une manipulation thermique ou magnétique. "Le fait que cela fonctionne pour les oxydes ferro?ques avec une irradiation électrique pourrait être lié à l'orientation de la polarisation au sein des oxydes", explique Chen. Lorsque le brin est étiré, la polarisation à l'intérieur des oxydes s'aligne parallèlement au plan du brin. Sous l'effet du faisceau d'électrons, la polarisation s'oriente perpendiculairement au plan du brin, ce qui permet à la structure de reprendre sa forme initiale.
Vaste domaine d'application
Cette réaction à l'énergie électrique est mieux adaptée à de nombreuses applications, car les manipulations ponctuelles de température (qui provoquent habituellement l'effet de mémoire de forme) ne sont pas possibles à l'échelle nanométrique. Voici un exemple d'application : Gr?ce à leur grande élasticité, les oxydes pourraient remplacer des fibres musculaires ou des parties de la colonne vertébrale. "Une autre application serait de nouveaux systèmes robotiques à l'échelle nanométrique : Le mouvement mécanique qui se produit lors de la commutation des deux formes de structure pourrait être utilisé pour entra?ner les plus petits moteurs", explique Donghoon Kim. Il a travaillé sur cette étude en tant que doctorant et est l'un de ses deux premiers auteurs. "En outre, notre approche pourrait également permettre de développer des nanomachines plus durables, car notre matériau n'est pas seulement élastique, mais aussi durable", explique Minsoo Kim, post-doctorant et également premier auteur.
Le champ d'application pourrait même être étendu à l'électronique flexible et au domaine de la robotique douce. Dans une autre étude, que les chercheurs viennent de publier dans la revue spécialisée page externeTechnologies des matériaux avancés ils ont pu perfectionner de telles structures d'oxyde autoportantes de sorte que leurs propriétés dites magnétoélectriques puissent être contr?lées et ajustées avec précision. Ces oxydes à mémoire de forme pourraient être utilisés, entre autres, pour la fabrication de nanorobots implantés dans le corps humain et capables de stimuler les cellules ou de réparer les tissus. Gr?ce à des champs magnétiques externes, de tels nanorobots pourraient être transformés en une autre structure et remplir certaines fonctions, par exemple dans le corps humain.
"En outre, les propriétés magnétoélectriques des structures d'oxyde à mémoire de forme pourraient être utilisées pour stimuler électriquement des cellules à l'intérieur du corps, par exemple pour activer des cellules nerveuses dans le cerveau, pour des thérapies cardiaques ou pour accélérer la guérison des os", explique Pané. Enfin, les oxydes à mémoire de forme magnétoélectriques pourraient être utilisés dans des dispositifs à l'échelle nanométrique tels que des antennes ou des capteurs minuscules.
Référence bibliographique
Kim D, Kim M, Reidt S, Han H, Baghizadeh A, Zeng P, Choi H, Puigmartí-Luis J, Trassin M, Nelson BJ, Chen XZ, Pané S : Shape-Memory Effect in Twisted Ferroic Nanocomposites. Nature Communications, 10 février 2023. doi : page externe10.1038/s41467-023-36274-w
Kim M, Kim D, Aktas B, Choi H, Puigmartí-Luis J, Nelson BJ, Pané S, Chen XZ : Nanocomposites céramiques magnétoélectriques souples sensibles au stress. Advanced Materials Technologies, 28 février 2023, doi : page externe10.1002/admt.202202097