L’impression 3D pourrait être la clé pour commercialiser le « Liquid Metal Ram »

Une nouvelle approche des systèmes de stockage, réalisée par des chercheurs de l’Université Tsinghua en Chine, permet une mémoire flexible sans compromettre les performances des appareils électroniques. Financé par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la Fondation chinoise de postdoctorat et le programme de bourses Shuimu Tsinghua, cette recherche introduit « Liquid Metal Memory » dans une récente publication dans « Advanced Materials ».

Les systèmes de stockage, composants essentiels des appareils électroniques, doivent devenir beaucoup plus flexibles à mesure que le monde voit apparaître des appareils portables avancés, des dispositifs biomédicaux et de la robotique souple. Ces systèmes de stockage de données doivent s’étirer, se plier et se tordre à l’extrême sans affecter les performances des appareils émergents.

Obtenir une mémoire flexible a été difficile en raison des limites des méthodologies de stockage conventionnelles. La dernière étude propose une nouvelle classe de principes de stockage inspirés des mécanismes de polarisation et de dépolarisation du cerveau humain.

En introduisant les comportements d’oxydation et de déoxydation des métaux liquides, l’équipe a réalisé une mémoire entièrement flexible. Les chercheurs ont utilisé une oxydation électrochimique réversible pour moduler la conductivité globale des métaux liquides ciblés, créant une différence de résistance de 11 ordres de grandeur pour le stockage binaire des données, comme indiqué.

Pour obtenir les meilleures performances de stockage, des optimisations systématiques de plusieurs paramètres ont été réalisées. Des expériences conceptuelles ont montré la stabilité de la mémoire dans des scénarios de déformation extrême, incluant une torsion à 360°, un pliage à 180° et un étirement à 100 %. Des tests supplémentaires ont démontré de meilleures performances avec des tailles d’unité de mémoire plus petites.

L’équipe a conclu que son système de stockage atteint une vitesse d’écriture rapide de plus de 33 Hz et une capacité de rétention de données de plus de 43 200 s, avec un fonctionnement stable et répétable jusqu’à 3 500 cycles. Ces performances remarquables indiquent que la « méthode révolutionnaire » peut surmonter les limitations de rigidité inhérentes aux unités de stockage électroniques existantes tout en ouvrant la voie à des dispositifs neuromorphiques innovants.

Ainsi, la mémoire à métal liquide modifie fondamentalement les concepts traditionnels de mémoire flexible, offrant des voies pratiques pour de futures applications dans les systèmes d’intelligence artificielle bio‑inspirés, la robotique souple et l’électronique portable.

Une approche non conventionnelle: utilisation d’un métal liquide

L’utilisation croissante d’appareils flexibles signifie que la demande pour les caractéristiques déformables de la mémoire augmentera, a déclaré Jing Liu, professeur au département de génie biomédical de l’Université Tsinghua à Pékin, dans une interview.

Le dispositif de RAM résistive flexible, appelé FlexRAM, est développé avec une approche non conventionnelle— le liquide. Cette RAM à métal liquide stocke l’information dans un environnement de solution, tout comme notre cerveau, qui est composé d’environ 70 % d’eau. 

En adoptant cette approche biomimétique, FlexRAM se distingue des systèmes de mémoire actuels, qui sont solides. Selon Liu, l’approche biomimétique est similaire aux « environnements de travail aqueux que l’on trouve au sein des organismes vivants ». 

Jusqu’à présent, la flexibilité des dispositifs de mémoire existants a été limitée car ils sont généralement créés en déposant les composants de mémoire rigides sur des matériaux souples. Cela rend les appareils seulement partiellement flexibles et entraîne le décollement et la fissuration lorsque le dispositif est déformé. 

FlexRAM vise à changer cela en utilisant un alliage composé de gallium et d’indium comme composant de mémoire pour fabriquer leur dispositif de stockage. Les métaux liquides à base de gallium sont un matériau attrayant en raison de leurs excellentes caractéristiques, telles que la haute conductivité électrique et thermique, la faible toxicité et la faible viscosité avec une nature fluide à température ambiante.

Inspiré par le cerveau, le matériau subit une oxydation et une réduction dans un environnement de solution, tout comme les neurones de notre cerveau. Le neurone est polarisé lorsque la membrane plasmique interne possède une charge négative comparée à l’extérieur, et lorsqu’un changement la rend moins négative, on parle de dépolarisation.

De plus, le matériau reste à l’état liquide à température ambiante. Cela facilite son oxydation pour former une couche dense d’oxyde de gallium à la surface du liquide. Cette couche d’oxyde de gallium correspond à un état de haute résistance électrique du système de stockage et à un état de faible résistance du gallium élémentaire, la forme réduite du liquide. 

Un rapport de résistance élevé, c’est‑à‑dire la différence entre la résistance de ces deux états, est essentiel aux performances du stockage de la mémoire.

Atteindre une haute intégration et évolutivité

En ce qui concerne les performances, les dispositifs de stockage de mémoire doivent posséder de nombreuses caractéristiques, notamment l’efficacité énergétique, des vitesses de lecture et d’écriture rapides, une haute densité de stockage, la rétention des données, la durabilité et la fiabilité. Le problème réside dans l’équilibre entre ces aspects tout en maximisant la flexibilité du dispositif.

Ainsi, pour développer un dispositif capable de supporter de hauts niveaux de déformation, l’équipe de chercheurs a utilisé un polymère extensible appelé Ecoflex comme matériau d’encapsulation.

Ensuite, l’équipe a utilisé une imprimante 3D pour imprimer des moules en Ecoflex. L’impression 3D ou la fabrication additive permet la production d’objets complexes. Elle rend possible la fabrication d’articles qui n’étaient pas économiquement réalisables avec la fabrication traditionnelle. La FA signifie essentiellement créer des objets tridimensionnels en déposant des couches de matériau selon un design généré par ordinateur.

Grâce à son rapport coût‑efficacité, l’impression 3D a rendu la fabrication accessible aux masses pour la première fois. Parallèlement, sa capacité à offrir une flexibilité de conception et un prototypage rapide rend cette technique populaire parmi les scientifiques et les chercheurs.

Ainsi, une fois le dispositif créé, des gouttelettes du métal liquide à base de gallium ont été placées dans les cavités des moules. Pour éviter les fuites de solution, les chercheurs ont également utilisé des gouttelettes de solution d’hydrogel de polyacétate de vinyle, injectées séparément en raison de leur capacité à augmenter le rapport de résistance du dispositif et à améliorer ses propriétés mécaniques.

La taille de la gouttelette de métal liquide était importante ici car elle influence considérablement le rapport état de haute résistance/état de basse résistance du dispositif. Une gouttelette plus petite conduit à un rapport accru en raison de l’impact amplifié du film d’oxyde de surface. Ainsi, plus la gouttelette est petite, « plus la réponse mémoire est sensible ». 

Liu a déclaré:

« Réduire la taille des gouttelettes favorise l’intégration et l’évolutivité du FlexRAM, rendant la mémoire entièrement flexible et à haute densité une option prometteuse pour divers développements d’ingénierie. »

Lecture, écriture et stockage des données

À présent, en ce qui concerne le codage des données, FlexRAM le réalise via les processus d’oxydation et de réduction du métal liquide. 

Ainsi, le fonctionnement consiste à ce que le métal liquide à base de gallium s’oxyde lorsqu’une basse tension est appliquée. Cela lui confère un état de haute résistance « 1 ». En inversant la polarité de la tension, le métal liquide revient à son état initial de basse résistance « 0 ». Ce processus de commutation réversible permet de stocker et d’effacer la mémoire dans le dispositif.

Pour démontrer la capacité de lecture et d’écriture de FlexRAM, les chercheurs ont intégré le dispositif dans une configuration logicielle et matérielle. En utilisant des commandes informatiques, l’équipe a écrit une chaîne de chiffres et de lettres sur un tableau de huit unités de stockage FlexRAM.

Ces lettres et chiffres ont été encodés sous forme de 0 et 1 et correspondaient à 1 octet d’information, ce qui est loin de la capacité de mémoire grand public.

À l’étape suivante, l’équipe a utilisé une technique appelée modulation de largeur d’impulsion, qui a converti le signal numérique de l’ordinateur en analogique. Cette technique leur a permis de contrôler soigneusement l’oxydation et la réduction du métal liquide.

Ensuite, l’équipe a appliqué une courte tension de test de 1 volt lors de la lecture des informations afin de mesurer l’état de résistance du système sans modifier l’état redox du métal. Le courant est alors transmis à l’ordinateur, qui convertit le signal en 0 ou 1 à l’aide d’un algorithme. Enfin, le message encodé est affiché sur un écran LED.

Bien que le prototype soit une mémoire volatile, le principe permet le développement du dispositif sous différentes formes de mémoire.

Cela peut être observé dans le fait que les données stockées dans le dispositif persistent même lorsque l’alimentation est coupée. Cela pourrait signifier que le dispositif a un potentiel en tant que forme de stockage flexible et peut-être au-delà de la RAM. Liu a noté:

« FlexRAM pourrait être intégré dans des systèmes informatiques entièrement basés sur le liquide, fonctionnant comme un dispositif logique. »

Le FlexRAM peut également conserver ses données jusqu’à 43 200 secondes ou 12 heures dans un environnement à faible ou aucune oxygène. De plus, le dispositif peut être réutilisé à plusieurs reprises tout en maintenant une performance stable pendant plus de 3 500 cycles. Bien que ce soit un bon départ, cela reste loin de ce que la mémoire traditionnelle mais non flexible peut atteindre, qui se mesure en millions.

Enorme potentiel d’application

Bien que le dispositif ait démontré des performances prometteuses, son temps de réponse et son niveau d’intégration ne sont pas encore aux normes commerciales. Cela signifie qu’il reste encore besoin d’améliorations sur plusieurs fronts, y compris le procédé de fabrication, qui, pour l’instant, implique le remplissage séquentiel des matériaux.

L’équipe vise à utiliser des procédés de fabrication intelligents et automatisés ainsi que l’impression 3D aérienne et la technologie d’emballage.

Cependant, la technologie est très jeune et prendra des années avant d’être pleinement réalisée. Cela dit, la preuve de concept est encourageante, et cette nouvelle approche a suscité l’intérêt de l’industrie avec plusieurs concepts basés sur le liquide en cours d’exploration.

Une telle recherche a été démontrée il y a quelques années lorsque deux nouveaux concepts de stockage basés sur le liquide ont été proposés — la mémoire colloïdale et la mémoire électrolithique, qui ont le potentiel pour des applications de stockage en ligne à très haute densité.

Encore une fois, en s’inspirant des avancées des sciences de la vie, le support de stockage pour créer un tableau dense d’appareils d’accès a été proposé comme un liquide contenant des ions, des molécules ou des (nano‑)particules, qui peuvent être manipulés dans de plus grands volumes vers un dispositif d’accès faisant partie d’un tableau dense.

IMEC, un centre de R&D et d’innovation en nanoélectronique et technologies numériques, prévoit l’introduction de la mémoire liquide à partir de 2030. Il anticipe qu’avec ces approches, la densité de stockage des bits pourra être poussée vers la gamme de 1 Tbit/mm² à un coût de processus inférieur par mm². Il a également noté que pour que ces solutions de stockage soient viables pour des applications en ligne, la technologie doit disposer d’un temps de réponse adéquat, d’une consommation d’énergie, d’une bande passante (par ex. 20 Gb/s), d’une endurance cyclique (10³ cycles de lecture/écriture) et de la capacité de conserver les données pendant une décennie.

Dans une autre instance, en 2020, des chercheurs ont obtenu une charge à partir de batteries à métal liquide. Ici, l’électrolyte salé, l’anode métallique et la cathode étaient tous sous forme liquide. Comparées aux batteries à l’état solide, les batteries à métal liquide bénéficient d’une diffusion rapide des ions entre les électrodes, ce qui signifie des cycles de charge‑décharge rapides. 

De plus, les contraintes mécaniques sont beaucoup moins importantes, et cela élimine le besoin de membranes et de séparateurs tout en améliorant la stabilité à long terme et l’utilité. La recherche a indiqué que les batteries à métal liquide, bien que lourdes, ne sont pas inflammables et pourraient être plus adaptées au stockage d’électricité à grande échelle.

Plus récemment, des scientifiques ont découvert un composite à base de métal liquide qui permet des connexions électriques et mécaniques robustes entre des circuits souples et des composants électriques rigides. Les chercheurs espèrent que ce matériau, appelé E-CASE, qui est un adhésif conducteur électrique contenant de l’argent et du gallium‑indium eutectique (EGaIn), jouera un rôle dans l’électronique, la robotique et les capteurs.

Ainsi, à mesure que les chercheurs résolvent les défis et affinent la technologie, le FlexRAM pourra également être utilisé dans l’électronique implantable, la robotique souple et les systèmes d’interface cerveau‑machine à l’avenir.

Entreprises de fabrication additive

#1. Materialise

Le fournisseur belge de services d’impression 3D dessert divers secteurs, dont l’automobile, l’aérospatiale et les soins de santé. Au cours des derniers mois, Materialise a conclu plusieurs partenariats, notamment avec Ricoh USA pour promouvoir l’utilisation de modèles anatomiques imprimés en 3D, avec Proponent pour imprimer des solutions de cabine pour avions, avec Nikon SLM Solutions pour développer des processeurs de construction avancés, et avec Ansys pour simplifier la simulation de l’impression 3D.

Avec une capitalisation boursière de 329 millions de dollars, l’action de Materialise (MTLS:NASDAQ) se négocie à 5,57 $, en baisse de 15,16 % depuis le début de l’année. L’entreprise a affiché un chiffre d’affaires (TTM) de 272 millions de dollars et possède un BPA (TTM) de 0,05 ainsi qu’un PER (TTM) de 116,53. Elle a déclaré une hausse de 3,2 % de son chiffre d’affaires total à 63,6 millions de dollars par rapport à l’année précédente lors de son rapport de résultats du 3T23, tandis que son EBITDA a bondi de 55 % et son bénéfice net a augmenté de 184 % pour atteindre 4,2 millions de dollars.

#2. EOS GmbH

Basée en Allemagne, EOS GmbH est un fabricant industriel de premier plan d’imprimantes 3D qui a lancé une technologie FDR permettant la production de détails fins sans sacrifier la qualité. Parallèlement, la technologie Smart Fusion de l’entreprise élimine les structures de support, réduit les coûts, minimise l’utilisation de matériaux et diminue les exigences de post‑traitement. Ses nouveaux systèmes permettent en outre une solution entièrement automatisée qui s’adapte aux besoins de production.

En plus d’EOS GmbH et de Materialise, des entreprises d’impression 3D telles que Stratasys, GE Additive, Desktop Metal , Formlabs et Renishaw peuvent aider à commercialiser le Liquid Metal Ram. Par ailleurs, des sociétés comme Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple (AAPL ) et Samsung peuvent bénéficier de cette nouvelle approche des systèmes de stockage.

Mot de conclusion

La capacité du Liquid Metal Ram à résister à presque toutes les déformations promet un bel avenir pour les appareils électroniques, enrichissant davantage nos vies. Cependant, ils sont encore à un stade précoce, nécessitant davantage de recherches et de travaux avant de pouvoir être commercialisés. 

Ici, la fabrication additive peut jouer un rôle clé en permettant des conceptions personnalisées et une meilleure intégration des différents composants pour améliorer les performances et la fiabilité. De plus, elle permet le prototypage rapide, permettant aux chercheurs et aux entreprises d’apporter des améliorations rapides tout en réduisant les déchets, offrant évolutivité et production à la demande.

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