De l’aérospatiale à la HealthTech – Les LCE sont aussi polyvalents qu’intrigants

Commençons par aborder le cœur du sujet d’abord ! Qu’est-ce que les LCE ? Eh bien, Les LCE désignent les élastomères liquidocristallins – des réseaux polymères réticulés qui combinent les propriétés élastiques du caoutchouc avec les propriétés anisotropes des cristaux liquides. Le facteur principal qui rend ces matériaux uniques est que la multifonctionnalité et la réactivité peuvent être programmées dans les LCE en structurant leur orientation locale.

C’est une qualité rare – difficile à obtenir dans d’autres systèmes de matériaux monolithiques. Et, comme le souligne un article de synthèse du magazine Nature de 2021, les progrès dans la synthèse et l’alignement des LCE ont rendu possible leur intégration fonctionnelle dans divers domaines, notamment la robotique, l’optique, les produits de consommation, l’énergie et la santé. 

Aujourd’hui, nous approfondissons cette polyvalence des LCE pour voir comment ils prouvent leur valeur dans divers domaines, de l’aérospatiale à la HealthTech. 

Approche d’impression 3D pour les matériaux à changement de forme utilisant des structures LCE

Une équipe de chercheurs de l’Oregon State University a contribué à développer unenouvelle approche d’impression 3D pour les matériaux à changement de forme. Dans la réalité, de tels matériaux pourraient améliorer les applications robotiques en les aidant à acquérir une qualité robotique. 

En expliquant le caractère des LCE dans ce contexte, Devin Roach du College of Engineering de l’OSU a déclaré:

“Les LCE sont des moteurs souples. Puisqu’ils sont souples, contrairement aux moteurs classiques, ils fonctionnent très bien avec nos corps naturellement souples. Ainsi, ils peuvent être utilisés comme dispositifs médicaux implantables, par exemple pour délivrer des médicaments à des emplacements ciblés, comme des stents pour des procédures dans des zones ciblées, ou comme des implants urétraux qui aident à l’incontinence.”

Plus précisément, la recherche, publiée dans la revue Advanced Materials, détaille la préparation des LCE par des techniques de fabrication additive (FA), principalement en utilisant l’impression à jet d’encre directe. Les chercheurs ont documenté la préparation de LCE à chaîne principale alignés via l’impression 3D DLP en utilisant un champ magnétique de 100 mT.

Une étude systématique a isolé la contribution de l’intensité du champ magnétique, du temps d’alignement et de l’épaisseur de la couche de construction sur le degré d’orientation des LCE imprimés en 3D. Les chercheurs ont conclu que l’impression DLP de LCE alignés pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour fabriquer des matériaux sensibles aux stimuli sous des formes optimisées pour une utilisation fonctionnelle en robotique souple et en absorption d’énergie.

Bien que tout cela puisse sembler du jargon et plein d’implications high-tech, comprendre les LCE pourrait être beaucoup plus simple si nous examinons leurs applications concrètes. Essentiellement, les LCE peuvent changer de forme en réponse à certains stimuli, comme la chaleur. En exploitant cette propriété, les LCE peuvent être utilisés pour convertir l’énergie thermique en énergie mécanique afin qu’elle puisse être stockée et utilisée à la demande. 

La flexibilité semblable à celle des muscles que les LCE nous offrent peut nous aider à progresser considérablement dans le domaine de la robotique souple. Ces robots flexibles pourraient accéder à des zones dangereuses ou inadaptées aux humains. Selon Devin Roach:

“Ils ont également montré un potentiel dans l’aérospatiale en tant qu’actionneurs pour des systèmes automatisés tels que ceux destinés à la préhension en espace profond, au déploiement de radars ou à l’exploration extraterrestre.”

Le DLP, réalisation centrale de cette recherche, qui a été réalisé par Roach et ses collaborateurs à l’Université Harvard, à l’Université du Colorado et aux laboratoires nationaux Sandia et Lawrence Livermore, nous a montré une façon d’aligner les molécules à l’aide d’un champ magnétique pendant un type d’impression 3D appelé traitement de lumière numérique. Il était crucial d’exploiter pleinement les LCE car les propriétés de changement de forme des élastomères liquidocristallins dépendaient de l’alignement des molécules au sein des matériaux. Le traitement de lumière numérique utilise la lumière pour durcir la résine liquide en formes solides avec précision.

En soulignant les réalisations de l’étude, Roach a déclaré que l’alignement des molécules pourrait être la clé pour libérer le plein potentiel des LCE et permettre leur utilisation dans des « applications avancées et fonctionnelles ». Roach a ajouté que leur travail ouvrait « de nouvelles possibilités pour créer des matériaux avancés qui répondent aux stimuli de manière utile, pouvant conduire à des innovations dans de multiples domaines. »

Roach et ses collègues ont étudié une gamme de paramètres. Ils ont varié l’intensité du champ magnétique et examiné comment cela pouvait impacter l’alignement moléculaire ainsi que d’autres facteurs, tels que l’épaisseur de la couche imprimée. Les chercheurs ont pu imprimer des formes complexes d’élastomères liquidocristallins qui changent de manière spécifique lorsqu’elles sont chauffées.

Roach a également dirigé une autre équipe de chercheurs pour examiner davantage le potentiel d’amortissement mécanique des LCE. La recherche et ses conclusions pourraient s’avérer utiles pour développer des absorbeurs de chocs automatiques de pointe, des amortisseurs sismiques et des amortisseurs de vibrations sur les ponts. 

Alors que la recherche et ses conclusions pourraient aider les LCE à devenir essentiels dans de nombreux domaines, la recherche autour des structures d’élastomères liquidocristallins se poursuit depuis un certain temps déjà. Dans les prochains segments, nous discuterons de quelques-unes de ces études et de la façon dont elles pourraient impacter les innovations technologiques autour de nous.

LCE et impression 4D

En juin 2022, un article de recherche publié dans la revue Materials Horizons, les scientifiques ont montré qu’en structurant l’ordre dans les structures, les LCE démontrent une action réversible à grande vitesse et à grande échelle en réponse à des stimuli externes, permettant une intégration étroite avec l’impression 4D et les architectures de dispositifs numériques, ce qui est rarement observé dans les réseaux polymères souples homogènes.

Les chercheurs ont rassemblé des informations sur les avancées récentes de l’impression 4D des LCE, en mettant l’accent sur les méthodes de synthèse et de traitement qui ont permis des changements microscopiques de l’orientation moléculaire et ainsi entraîné des changements macroscopiques des propriétés des objets finaux. La recherche a déduit que la combinaison LCE‑4D printing pourrait s’avérer utile dans les domaines de la robotique souple, de l’optique et des dispositifs biomédicaux.

Performance des LCE sur la réponse cellulaire biologique

Une autre recherche, publiée dans la revue ACS Applied Polymer Materials en janvier 2023, a étudié les structures et les méthodes de synthèse des LCE ainsi que leur biologie matérielle en mettant l’accent sur les caractéristiques biochimiques et biomécaniques des cellules d’un point de vue moléculaire. La recherche, de manière cruciale, a investigué des facteurs tels que le comportement quasi‑liquidocristallin des cellules, le degré d’ordre d’orientation dans différentes cellules, et les signaux topographiques induits par les cristaux liquides comme agents favorisant la croissance des cellules. 

En plus de ces recherches menées par des universitaires du domaine, des laboratoires de recherche réputés à travers le monde ont également manifesté de l’intérêt pour les LCE et leur évolution. Nous discutons de quelques-uns de ces laboratoires de recherche dans les segments suivants et essayons de comprendre pourquoi ils considèrent les LCE comme cruciaux. 

Évaluation des LCE par le laboratoire Nguyen : Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Le laboratoire estime que les propriétés viscoélastiques des LCE peuvent être exploitées pour concevoir des matériaux et des structures transformatifs avec un comportement de dissipation extrême. Le laboratoire a mené une étude afin de développer une compréhension fondamentale des mécanismes de relaxation des LCE à chaîne principale afin de permettre la conception de comportements de dissipation extraordinaires des matériaux et structures LCE sur plusieurs échelles de longueur.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que le comportement de dissipation amélioré des LCE découle du couplage entre la dynamique de relaxation des mésogènes et du réseau polymère et dépend de l’ordre des mésogènes et de l’alignement des chaînes. Selon le laboratoire, le comportement de dissipation intrinsèque pourrait être exploité dans une conception architecturée pour produire des structures avec un amortissement extrême et une absorption d’énergie. 

Travaux du laboratoire Aizenberg de l’Université Harvard sur les LCE

La vision du laboratoire était d’envisager les LCE comme matériaux adaptatifs avec une programmabilité à l’échelle moléculaire qui pourrait générer des opportunités pour la conception rationnelle de matériaux réactifs de prochaine génération et potentiellement transformer des domaines allant des muscles artificiels aux surfaces autonettoyantes et aux systèmes homéostatiques.

Le laboratoire a trouvé que les LCE étaient des matériaux prometteurs pour atteindre la programmabilité et les capacités de déformation souhaitées car ils sont constitués de molécules anisotropes appelées mésogènes, liées covalemment à un matériau de base polymère (l’élastomère).

Alors qu’une variété d’approches existait pour prescrire l’alignement des mésogènes, le groupe Aizenberg utilisait généralement des champs magnétiques pour imposer le directeur du cristal liquide. Cette méthode pouvait être appliquée et programmée dans n’importe quelle forme 3D, permettant aux chercheurs d’encoder des modes de déformation macroscopiques au niveau moléculaire. 

Le groupe Aizenberg, actif en tant que laboratoire de biominéralisation et de biomimétique sous la bannière de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, a utilisé des LCE alignés magnétiquement pour créer une variété de microstructures multi‑réactives telles que des micro‑piliers, des micro‑plaques, des structures cellulaires interconnectées et des réseaux d’éléments rapprochés.

Le groupe envisage de poursuivre ses recherches afin d’élargir notre compréhension fondamentale des systèmes auto‑régulés, ainsi que d’étendre ces conceptions à des applications telles que des actionneurs multimodaux autonomes dans des adhésifs commutables, le cryptage d’information, des antennes autonomes, des systèmes de récupération d’énergie, des robots souples et des bâtiments intelligents.

Alors que les recherches individuelles et les travaux de laboratoire sur les LCE sont en plein essor, certaines entreprises peuvent en bénéficier. Nous allons maintenant examiner quelques-unes de ces entreprises.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions de fabrication additive et d’impression 3D.

1. 3D Systems Corp (DDD )

L’entreprise qui arrive en tête de liste lorsque nous pensons à exploiter la recherche sur les LCE à l’échelle commerciale est 3D Systems Corp. Elle couvre l’ensemble du spectre de l’industrie de l’impression 3D, depuis les imprimantes 3D, les matériaux et les logiciels. Elle possède la gamme la plus complète d’imprimantes 3D commerciales, permettant aux entreprises d’imprimer des pièces en plastique ou en métal au point de besoin en une fraction du temps comparé aux processus de fabrication traditionnels.

Le portefeuille étendu et polyvalent de l’entreprise en matériaux d’impression 3D comprend le plastique, l’élastomère, le composite, la cire, le métal, le biocompatible, et plus encore. De plus, elle ajoute de la valeur à l’ensemble du système grâce à son logiciel alimenté par l’IA, qui est adapté à la précision en fabrication additive et idéal pour les applications industrielles et de santé.

L’entreprise sert le plus large éventail possible de clients dans des industries telles que l’aérospatiale et la défense, l’automobile, le bioprinting, la capture du carbone, la technologie grand public, et bien d’autres. 

L’entreprise possède un gamme de produits dans la catégorie élastomère, incluant le DulaForm TPU Elastomer, qui est un matériau élastomère thermoplastique avec une flexibilité et une fonctionnalité similaires à du caoutchouc. Il peut être utilisé pour la production à petite ou moyenne série de biens de consommation, la fabrication de pièces flexibles pour des applications industrielles, la création de prototypes fonctionnels de tuyaux et de joints, ainsi que le prototypage et la production de composants de chaussures. 

Le matériau VisiJet® CE-NT de 3D System Corp offre des performances élastomères de premier ordre pour le prototypage fonctionnel afin de répondre à une gamme d’applications d’ingénierie et de conception. Il possède d’excellentes propriétés de traction, et sa couleur naturelle translucide aide à créer des modèles réalistes de l’anatomie humaine pour les applications de modélisation médicale.

3D Systems Corporation a annoncé ses résultats financiers pour le troisième trimestre se terminant le 30 septembre 2024, le 26 novembre 2024. Bien que son chiffre d’affaires de 112,9 millions de dollars ait enregistré une baisse de 9 % d’une année sur l’autre, l’intérêt des clients pour les applications d’impression 3D a continué de gagner en dynamique, les revenus du groupe Application Innovation (AIG) ayant augmenté de plus de 26 % depuis le début de l’année par rapport à l’année précédente sur les marchés industriels.

2. Teradyne, Inc.(TER )

Teradyne, Inc. fabrique des équipements qui testent les semi-conducteurs, les appareils sans fil et d’autres électroniques complexes. Leurs outils sont utilisés dans des industries telles que l’automobile, l’aérospatiale, la défense et l’électronique grand public. Ils sont un acteur majeur dans le monde des tests automatisés et de l’automatisation industrielle.

Pour le troisième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 737 millions de dollars. La majeure partie, 543 millions de dollars, provenait du test de semi-conducteurs, la robotique ajoutant 89 millions de dollars. Des contributions plus petites provenaient du test de systèmes et du test sans fil, respectivement 73 millions de dollars et 33 millions de dollars.

Les élastomères liquidocristallins (LCE) pourraient jouer un rôle important dans l’avenir de Teradyne, notamment en robotique. Les LCE sont spéciaux car ils peuvent changer de forme lorsqu’ils sont exposés à la chaleur ou à la lumière. Cela les rend idéaux pour la robotique souple, qui nécessite flexibilité et précision. Si Teradyne intègre les LCE dans leurs robots, cela pourrait les rendre plus adaptables pour les industries qui exigent une automatisation avancée.

3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )

Zebra Technologies Corporation se démarque dans l’intelligence des actifs d’entreprise, avec leurs ordinateurs mobiles, scanners de codes-barres, lecteurs RFID et imprimantes spécialisées, utilisés dans des industries telles que le commerce de détail, la santé, la fabrication et la logistique.

Au troisième trimestre 2024, Zebra a déclaré un chiffre d’affaires de 1,26 milliard de dollars, soit une hausse de 31 % par rapport à l’année précédente. Le bénéfice net ajusté par action s’est établi à 3,49 $, dépassant les attentes et montrant une forte croissance.

Les élastomères liquidocristallins pourraient constituer un ajout intéressant au portefeuille de Zebra, car ces matériaux changent de forme lorsqu’ils sont exposés à la chaleur ou à la lumière, les rendant idéaux pour une utilisation en robotique souple ou dans d’autres systèmes adaptatifs. Si Zebra explore cette technologie, cela pourrait améliorer l’adaptabilité de leurs solutions—quelque chose que les industries nécessitant une automatisation flexible pourraient trouver précieux. Les LCE pourraient permettre aux systèmes de Zebra de fonctionner dans des environnements plus complexes ou d’accomplir des tâches que les matériaux traditionnels ne peuvent pas.

L’avenir des LCE

Les LCE sont des matériaux uniques dans la mesure où ils combinent le comportement anisotrope des cristaux liquides et l’élasticité du caoutchouc des polymères légèrement réticulés. Les matériaux à mémoire de forme traditionnels ne sont pas aussi efficaces que les LCE pour créer des actionneurs souples. Les LCE possèdent des propriétés mécaniques extraordinaires, une bonne flexibilité, un comportement anisotrope et des réponses de forme réversibles. 

Cependant, la recherche sur les LCE doit combler plusieurs lacunes pour réaliser pleinement leur potentiel. Les chercheurs ont constaté que pour les matériaux souples, tels que les LCE, il existe souvent une relation de compromis entre les caractéristiques de « haute contrainte d’actionnement » et de « grand allongement d’actionnement », deux facteurs clés déterminant leurs performances d’actionnement. 

Les chercheurs ont également identifié que, puisque la plupart des LCE sont thermotropes, il est difficile de réaliser leurs réponses multi‑stimuli et le contrôle à distance, comme les actionneurs à lumière. La majorité des recherches en cours se concentre sur l’incorporation de divers nano‑chargeurs fonctionnels (nano‑matériaux photothermiques, électrothermiques, etc.) dans les matrices LCE afin de résoudre ces problèmes.

Cependant, certains chercheurs doutent que la mauvaise dispersibilité des chargeurs fonctionnels dans la matrice LCE et la faible interaction chargeur‑matrice puissent entraîner une séparation de phase dans les composites, ce qui diminuerait les performances des actionneurs résultants. 

Bien que notre recherche actuelle soit un pas dans la bonne direction, il existe des doutes quant à la compréhension fondamentale de la relation entre l’arrangement moléculaire et la propriété d’action des LCE. Les chercheurs voient cela comme un défi pour contrôler avec précision la déformation ou le mouvement des LCE.

Les nouvelles technologies d’impression 3D et 4D qui ont été développées pour traiter les LCE en architectures sophistiquées visent encore la construction d’équipements personnalisés sans solution efficace pour la production de masse à ce jour.

Cependant, du côté positif, l’intérêt pour les LCE dans le monde scientifique et technologique est visible. Il y a un déploiement croissant des LCE dans le développement de dispositifs intelligents.

Avec un intérêt croissant pour de nouveaux types de matériaux LCE, des technologies avancées de micro/nanofabrication 3D, de nouveaux schémas d’action et des stratégies de manipulation sophistiquées, les actionneurs basés sur les LCE pourraient connaître des avancées rapides et trouver bientôt des applications de pointe.

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