Lumière

Les chercheurs ont développé un nouveau matériau utilisant de minuscules cristaux organiques qui convertissent la lumière en une force mécanique importante capable de soulever 1 000 fois sa propre masse. Sans avoir besoin de chaleur ou d’électricité, le matériau photomécanique pourrait un jour piloter des systèmes sans fil télécommandés qui alimenteraient les robots et les véhicules.

Les matériaux photomécaniques sont conçus pour transformer directement la lumière en force mécanique. Ils résultent d’une interaction complexe entre la photochimie, la chimie des polymères, la physique, la mécanique, l’optique et l’ingénierie. Les actionneurs photomécaniques, la partie d'une machine qui permet d'effectuer des mouvements physiques, gagnent en popularité car un contrôle externe peut être obtenu simplement en manipulant les conditions d'éclairage.

Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont franchi une nouvelle étape dans le développement de matériaux photomécaniques, en créant un minuscule réseau de cristaux organiques qui plie et soulève des objets beaucoup plus lourds que lui-même.

"Nous avons supprimé les intermédiaires, pour ainsi dire, et prenons l'énergie lumineuse et la transformons directement en déformation mécanique", a déclaré Ryan Hayward, l'auteur correspondant de l'étude.

Un problème avec les matériaux photochimiques consiste à exploiter les mouvements au niveau moléculaire pour générer une réponse mécanique à grande échelle, ce qui nécessite généralement que les molécules réactives soient organisées de manière à ce qu'elles poussent toutes dans la même direction. Ceci est généralement réalisé en utilisant un matériau hôte ordonné tel qu'un polymère à cristaux liquides ou en utilisant un auto-assemblage ordonné de molécules dans un cristal.

Les chercheurs voulaient éviter les problèmes observés avec les matériaux photomécaniques précédents utilisant des solides cristallins qui changeaient de forme en réponse à une réaction photochimique : ils se craquaient souvent lorsqu'ils étaient exposés à la lumière et étaient difficiles à transformer en actionneurs utiles. Ainsi, ils ont utilisé des réseaux de minuscules cristaux organiques dérivés de diaryléthène comme composant photoactif, placés dans un matériau polymère (polyéthylène téréphtalate, PET) avec des pores de la taille du micron.

À mesure que les cristaux se développaient dans les pores, leur durabilité et leur production d’énergie, lorsqu’ils étaient exposés à la lumière, étaient considérablement améliorées. De plus, le fait de contraindre les cristaux photomécaniques à l’intérieur des pores a empêché leur fracture lors de l’exposition à la lumière. Le matériau composite pouvait être plié à 180° sans casser ni sacrifier sa réponse photomécanique et subir une flexion et un dépliage réversibles lors de l'alternance entre la lumière UV et la lumière visible. Et les cristaux étaient capables de convertir la lumière en travail mécanique sans chaleur ni électricité.

Les chercheurs sont passés à des expériences d’haltérophilie pour voir jusqu’où les cristaux photomécaniques pouvaient soulever. Ils ont découvert que lorsque les cristaux changeaient de forme avec une charge attachée, ils agissaient comme un actionneur et déplaçaient la charge. Le réseau de cristaux de 0,02 mg était capable de soulever une boule de nylon de 20 mg, soit 1 000 fois sa propre masse.

« Ce qui est passionnant, c'est que ces nouveaux actionneurs sont bien meilleurs que ceux que nous avions auparavant », a déclaré Hayward. « Ils réagissent rapidement, durent longtemps et peuvent soulever des objets lourds. »

Les chercheurs affirment que la flexibilité et la facilité de mise en forme rendent le matériau photochimique utilisable dans une gamme d'applications, telles que le remplacement d'actionneurs électriques dans les robots et les véhicules ou l'alimentation de drones par des faisceaux laser au lieu d'une batterie encombrante. Mais les chercheurs ont encore du travail à faire avant.

À l'avenir, ils visent à obtenir un meilleur contrôle du mouvement du matériau, qui, à l'heure actuelle, ne peut passer d'un état plat à un état incurvé qu'en se pliant et en se dépliant. Ils espèrent également augmenter l’efficacité, en maximisant la quantité d’énergie mécanique produite par rapport à l’apport d’énergie lumineuse.

« Nous avons encore du chemin à parcourir, notamment en termes d'efficacité, avant que ces matériaux puissent réellement rivaliser avec les actionneurs existants », a déclaré Hayward. « Mais cette étude constitue un pas important dans la bonne direction et nous donne une feuille de route sur la manière dont nous pourrions y parvenir dans les années à venir. »

L'étude a été publiée dans la revue Nature Materials.