Transformers intelligents à base d'hydrogel et contrôlés magnétiquement
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| Image A montre : la transformation de forme d'un transformateur. Image B : le processus de transformation de forme d'un transformateur d'hydrogel mou sous le couplage d'un champ magnétique et du proche infrarouge. Image C : MEB de l'hydrogel HG-Fe3O4. Image D : Illustration schématique de la transition de la gélatine entre la structure en bobine et la structure en triple hélice. Image E : le transformateur souple peut traverser les encoches étroites après la transformation de la forme. Image F : le transformateur souple se déforme d'abord en une forme pliée, puis traverse les passages étroits du labyrinthe spécial, et enfin retrouve sa forme originale dans une large zone. |
Crédit : Advanced Intelligent Systems, doi : 10.1002/aisy.202000208
Article original pour Phys.org
par la Docteur Thamarasee Jeewandara*
Alors que le film "Transformers" présentait des robots intelligents qui passaient d'une forme à l'autre avec de multiples fonctionnalités, des chercheurs mettent au point des transformateurs souples intelligents pour accélérer considérablement les applications de recherche en laboratoire. Dans un rapport récent maintenant publié dans Advanced Intelligent Systems, Dachuan Zhang et une équipe de recherche en science des matériaux et en sciences chimiques en Chine, ont proposé un transformateur souple télécommandé basé sur un système d'hydrogel à mémoire de forme. L'équipe a obtenu l'hydrogel en intégrant des nanoparticules magnétiques de magnétite (Fe3O4) dans une structure polymère à double réseau de poly (N-(2-hydroxyéthyl) acrylamide) contenant de la gélatine.
La transformation réversible de la gélatine en une triple hélice confère à l'hydrogel des propriétés de mémoire de forme et d'autoréparation, tandis que les nanoparticules de magnétite offrent des fonctions de chauffage photothermique et de manipulation magnétique permettant de déformer l'hydrogel pour la navigation dans un champ magnétique. L'équipe a ensuite pu rétablir la forme déformée par récupération de forme en utilisant une irradiation lumineuse. Zhang et al. ont contrôlé à distance les processus de mémoire de forme par le biais de l'actionnement magnétique et de la mémoire de forme assistée par la lumière. Comme preuve de concept, ils ont créé une série de robots, dont un athlète en hydrogel capable de faire des abdominaux, des transformateurs en hydrogel, un lotus en pleine floraison et un vaisseau spatial en hydrogel pouvant être amarré dans l'air. Ces travaux inspireront la conception et la fabrication de nouveaux systèmes polymères intelligents dotés de multiples fonctionnalités synchronisées.
Hydrogels à mémoire de forme
Alors que les transformateurs fictifs permettaient aux robots durs de se transformer en n'importe quelle forme, y compris en véhicules, les transformateurs mous présentent un plus grand intérêt pour la recherche fondamentale et les applications dans les sciences de la vie. Dans ce travail, Zhang et al. ont décrit un hydrogel à mémoire de forme contrôlé photothermiquement et magnétiquement. Ils ont combiné un polymère chimiquement réticulé et un réseau de gélatine réticulé de manière réversible, incorporé à des nanoparticules de magnétite, pour créer une construction photothermique et flexible, auto-cicatrisante et pouvant être manipulée magnétiquement. Les hydrogels à mémoire de forme (SMH) ont fait l'objet d'une attention accrue en tant que matériaux polymères intelligents et les chercheurs cherchent à contrôler à distance ces matériaux pour établir divers comportements d'actionnement.
Par exemple, les polymères à mémoire de forme peuvent fixer des formes temporaires et récupérer leur architecture sous l'effet de stimuli externes, ce qui suscite un intérêt croissant dans les domaines du biomédical, du textile, de l'électronique flexible et du cryptage des données. Les nanoparticules magnétiques sont des additifs efficaces pour introduire un actionnement sans contact contrôlé à distance. Lorsque les hydrogels sont éclairés par une lumière proche de l'infrarouge (NIR), ces nanoparticules magnétiques convertissent continuellement la lumière en chaleur, ce qui entraîne un réchauffement de l'hydrogel. Cela provoquera une déformation réversible de l'hydrogel pour des applications en tant que robots mous se déplaçant librement. Cette stratégie contribuera à promouvoir le développement de nouveaux systèmes d'hydrogel à mémoire de forme pour des applications en tant que robots non attachés.
Propriétés des hydrogels à mémoire de forme
Étant donné que les hydrogels à mémoire de forme peuvent mémoriser leur forme de manière stable et temporaire et retrouver parfaitement leur forme initiale sous l'effet de stimuli spécifiques, l'équipe a effectué des tests de flexion avec le matériau, qu'elle a abrégé en HG pour ses polymères constitutifs. Ils ont ensuite immergé un échantillon dans de l'eau chaude (60 degrés Celsius) pendant 30 secondes pour induire une désagrégation afin de ramollir l'hydrogel, l'ont retiré du milieu et ont récupéré les formes après avoir réimmergé les hydrogels dans de l'eau chaude (60 degrés Celsius). Zhang et al. ont mené une série d'expériences contrôlées pour vérifier les facteurs affectant les performances de mémoire de forme de l'hydrogel. Comme preuve de concept, l'équipe a conçu et développé une fleur en hydrogel imitant parfaitement la floraison d'un lotus.
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| La connexion d'un vaisseau spatial en hydrogel et d'une station spatiale en hydrogel dans l'air. Crédit : Advanced Intelligent Systems, doi : 10.1002/aisy.202000208 |
Lorsque les chercheurs ont introduit des nanoparticules de magnétite pour former l'hydrogel HG-Fe3O4, les constituants ont pu absorber et convertir la lumière en chaleur sous l'effet d'une irradiation lumineuse, ce qui a entraîné une augmentation de la température de l'hydrogel. Pendant la conversion de la lumière en chaleur, le matériau a atteint une auto-guérison photo-activée. Pour démontrer ce phénomène, l'équipe a créé une station spatiale en hydrogel HG-Fe3O4 sous un champ magnétique et a appliqué le proche infrarouge pour irradier les connecteurs et arrimer la construction de type vaisseau spatial avec un connecteur de type station spatiale pour réaliser l'autoréparation et la reconnexion dans l'air.
Récupération des formes par effets photothermiques et contrôle à distance des processus à mémoire de forme
L'équipe n'a pu récupérer la forme de l'hydrogel HG qu'en régulant la température à une valeur spécifique, en l'absence de nanoparticules de magnétite. L'ajout de magnétite a conféré des propriétés magnétiques à l'hydrogel HG-Fe3O4 pour permettre des cycles de récupération de la mémoire de forme contrôlés à distance. Comme preuve de concept, l'équipe a développé un robot de transition de forme sous la forme d'un athlète d'hydrogel pour se déformer de 2-D à 3-D. En l'absence de proche infrarouge et en présence d'un aimant, l'athlète en hydrogel pouvait " pousser vers le haut " rapidement, puis retrouver sa forme plate au retrait de l'aimant. Dans la deuxième configuration, ils ont activé le proche infrarouge et soulevé l'athlète en hydrogel à l'aide d'un aimant, puis ont maintenu l'aimant pendant deux minutes tout en éteignant le proche infrarouge pour permettre à l'athlète de refroidir. L'équipe a figé ce geste pendant un certain temps, après quoi elle a permis au robot de revenir à sa position initiale en allumant à nouveau le NIR. Cette technique peut être utilisée pour développer des préhenseurs souples, avantageux pour des applications comme robots chirurgicaux dans le cadre de la recherche translationnelle.
L'équipe a également utilisé l'interaction entre les aimants permanents et les nanoparticules de magnétite de l'hydrogel HG-Fe3O4 pour guider la construction en vue d'une navigation directionnelle. En utilisant l'hydrogel, ils ont montré comment la navigation directionnelle induite par les aimants pouvait guider un transformateur souple dans un labyrinthe. Ces concepts expérimentaux ont un potentiel pour une série d'applications en tant que porteurs mous pour transporter des marchandises pour l'administration et la libération de médicaments en biomédecine.
Perspectives des transformateurs mous dans les sciences de la vie
Ainsi, Dachuan Zhang et ses collègues ont mis au point une méthode nouvelle et efficace pour construire des transformateurs mous en hydrogel avec des propriétés magnétiques et photothermiques intégrées dans un système d'hydrogel à mémoire de forme (SMH). Les hydrogels HG-Fe3O4 ainsi obtenus présentent des propriétés très avantageuses, notamment la déformation de la forme sans contact, l'actionnement magnétique, les performances photothermiques, l'auto-guérison et la navigation directionnelle dans l'eau et dans l'air. L'équipe a développé une série de robots mous pour démontrer les propriétés dynamiques du système SMH et pense que ce concept inspirera le développement de nouveaux systèmes intelligents pour des applications en bio-ingénierie et en biomédecine.
Vidéos sur l'hydrogel
Une nouvelle voie pour la production d'hydrogels à mémoire de forme contenant des domaines cristallins a été décrite (" Shape memory hydrogels via micellar copolymerization of acrylic acid and n-octadecyl acrylate in aqueous media " Cigdem Bilici, Oguz Okay, Macromolecules 46, 3125-3131, 2013). Des hydrogels ont été préparés par copolymérisation micellaire d'acide acrylique avec le comonomère hydrophobe acrylate de n-octadécyle (C18) dans une solution aqueuse de NaCl de dodécylsulfate de sodium (SDS). Les hydrogels présentent une variation de 3 ordres de grandeur du module élastique lorsque la température varie entre un niveau inférieur et supérieur à la température de fusion des domaines cristallins. La structure en blocs des chaînes de réseau formées par polymérisation micellaire est responsable du changement drastique de leurs propriétés mécaniques et de l'important effet de mémoire de forme.
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