Une force mécanique d'une simple pression sur un bouton
Les supraparticules à activation magnétique transforment la chaleur en travail et peuvent soulever 25 000 fois leur propre poids
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Les nanoparticules magnétiques peuvent être chauffées sans contact. Des chercheurs de l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU), en collaboration avec des chercheurs de l’université d’Helsinki, exploitent désormais cet effet pour générer des forces mécaniques : des superparticules de l'ordre du micromètre transforment la chaleur générée par un champ magnétique alternatif en pression gazeuse et en expansion volumique. À peine 20 milligrammes de ce matériau suffisent pour soulever une masse de 500 grammes.
La chaleur se transforme en travail mécanique
Les nanoparticules magnétiques peuvent convertir efficacement l’énergie électromagnétique en chaleur. Lorsqu’elles sont exposées à un champ alternatif à haute fréquence, leur température augmente fortement en très peu de temps. Ce principe de chauffage par induction fait l’objet d’études pour le traitement thermique sans contact des matériaux.
L'équipe dirigée par Karl Mandel, de la chaire de chimie des matériaux à base de particules, adopte une approche différente : les nanoparticules magnétiques sont associées à un deuxième composant qui réagit à la chaleur générée par une expansion. Le séchage par atomisation permet d’obtenir des supraparticules de l’ordre du micromètre, dans lesquelles la source de chaleur et le composant fonctionnel sont directement liés l’un à l’autre.
Lorsqu’un champ magnétique alternatif est appliqué, les nanoparticules s’échauffent. La chaleur générée localement déclenche alors une formation rapide de gaz ou une évaporation à l’intérieur des supraparticules. La pression ainsi générée entraîne une expansion – et peut effectuer un travail mécanique.
Deux mécanismes différents
Les chercheurs ont mis au point deux systèmes à cet effet.
Le premier système utilise de l’azodicarbonamide (ADCA). Ce matériau agit comme un propulseur chimique et se décompose sous l’effet de la chaleur en libérant rapidement du gaz. La chaleur étant générée directement par les nanoparticules magnétiques voisines, une grande quantité de gaz peut se former en moins d’une seconde. La pression provoque la rupture de la structure des supraparticules.
Le deuxième système repose sur un polymère superabsorbant à base de poly(acrylamide-co-acide acrylique). Ce polymère absorbe d’abord l’eau. Après un séchage ultérieur, une partie de l’eau reste solidement liée à la structure du polymère. Lors du chauffage par induction, elle s’évapore. Comme la vapeur d’eau ne peut pas s’échapper assez rapidement du polymère dans un premier temps, la pression interne augmente et le matériau se dilate fortement.
Les deux systèmes présentent ainsi des réactions différentes face à un même stimulus externe : alors que le système ADCA libère surtout rapidement de grandes quantités de gaz, le système à superabsorbant entraîne une expansion volumique macroscopique significative.
20 milligrammes soulèvent 500 grammes
Les chercheurs ont démontré l’ampleur des forces ainsi générées à l’aide d’une simple expérience de levage. 20 milligrammes de superparticules ont permis de soulever une masse de 500 grammes, soit 25 000 fois la masse du matériau utilisé.
Activation à distance
L’un des principaux avantages du système réside dans son activation sans contact. Les supraparticules ne nécessitent ni connexion électrique ni source de chaleur directe. Un champ magnétique alternatif externe suffit à déclencher l’expansion.
Ce n’est pas seulement la température atteinte qui joue un rôle. La vitesse à laquelle les nanoparticules magnétiques génèrent de la chaleur est également déterminante. Ce n’est que si la chaleur est produite assez rapidement qu’une pression suffisante peut s’accumuler à l’intérieur des supraparticules avant que le gaz ou la chaleur ne se dissipent dans l’environnement. En revanche, un échauffement lent ou uniforme, par exemple dans un four, ne provoque pas la même réaction.
Les chercheurs ont par ailleurs pu démontrer que la température maximale peut être influencée par le choix des nanoparticules magnétiques. Ainsi, outre les nanoparticules présentant une vitesse de chauffage maximale, il est également possible d’utiliser des nanoparticules de ferrite de zinc-cobalt, dont la température de Curie plus basse limite la température maximale pouvant être atteinte. Cela permet de contrôler davantage l’activation et d’éviter d’endommager l’environnement.
La résine époxy peut être brisée de manière ciblée
Ce concept est particulièrement intéressant pour les matériaux qui sont généralement difficiles à séparer. Les chercheurs ont donc intégré les supraparticules dans une matrice de résine époxy.
Lorsqu’elles durcissent, les résines époxy forment des structures réticulées de manière permanente, qui ne peuvent pas être facilement dissoutes ou déformées. Cependant, lorsque les supraparticules intégrées sont exposées à un champ magnétique alternatif, elles génèrent localement une pression de gaz ou une expansion volumique. Les contraintes mécaniques ainsi générées peuvent briser la résine époxy. Lors des expériences, le composite a pu être détruit en dix secondes au maximum.
À l’avenir, les supraparticules activables magnétiquement pourraient ainsi présenter un intérêt, par exemple pour le « debonding à la demande », le démontage de matériaux composites ou la libération ciblée de composants individuels. Une telle activation mécanique, déclenchée localement et sans contact, pourrait ouvrir de nouvelles perspectives, en particulier pour les matériaux dotés de structures réticulées de manière permanente.
Actionneurs microscopiques pour matériaux adaptatifs
Ces travaux présentent ainsi une nouvelle approche permettant d’utiliser les nanoparticules magnétiques non seulement comme sources de chaleur, mais aussi comme composants d’actionneurs microscopiques. Un champ magnétique externe déclenche alors une chaîne de processus : les nanoparticules génèrent de la chaleur, celle-ci active une expansion chimique ou physique, et la pression ainsi générée est convertie en travail mécanique.
La combinaison d’une activation sans contact, d’une réaction rapide et d’une force élevée par rapport à la masse du matériau pourrait s’avérer intéressante à l’avenir pour les matériaux adaptatifs, les composites commutables et les actionneurs microscopiques. Les chercheurs voient notamment un potentiel pour les systèmes dans lesquels des fonctions mécaniques doivent être déclenchées sans câble et sans accès direct au matériau.
L’étude intitulée « Inductively Expandable Supraparticles as Microscopic Force Generators for Remote Mechanical Actuation », signée par Leoni Luthardt, Stephan Müssig, Robert Luxenhofer et Karl Mandel, a été publiée dans la revue scientifique Advanced Materials.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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