Des chercheurs américains ont mis au point une méthode d’impression de nanostructures métalliques basée sur la lumière, qui est nettement plus rapide et moins coûteuse que toute technologie actuellement disponible. Cette solution évolutive pourrait transformer un domaine scientifique longtemps dépendant de technologies coûteuses et lentes.
Cette découverte a le potentiel de faire sortir de nouvelles technologies des laboratoires pour les introduire dans le monde réel.
Une technique d’impression plus rapide et moins coûteuse
Les progrès technologiques dans de nombreux domaines dépendent de la capacité à imprimer des structures métalliques de taille nano – une échelle des centaines de fois plus petite que la largeur d’un cheveu humain.
Sourabh Saha, professeur assistant à l’école d’ingénierie mécanique George W. Woodruff, et Jungho Choi, un doctorant dans le laboratoire de Saha, ont développé une technique d’impression de nanostructures métalliques qui est 480 fois plus rapide et 35 fois moins coûteuse que la méthode conventionnelle actuelle.
Le rôle crucial de la nanomodélisation
L’impression de métal à l’échelle nanométrique – une technique connue sous le nom de nanomodélisation (nanopatterning) – permet la création de structures uniques avec des fonctions intéressantes. Elle est cruciale pour le développement de nombreuses technologies, dont les dispositifs électroniques, la conversion d’énergie solaire, les capteurs et d’autres systèmes.
Il est généralement admis que des sources de lumière de haute intensité sont nécessaires pour l’impression à l’échelle nanométrique. Mais ce type d’outil, connu sous le nom de laser femtoseconde, peut coûter jusqu’à un demi-million de dollars et est trop coûteux pour la plupart des laboratoires de recherche et des petites entreprises.
Une alternative abordable aux lasers femtosecondes
« En tant que communauté scientifique, nous n’avons pas la capacité de produire suffisamment de ces nanomatériaux rapidement et à un coût abordable, et c’est pourquoi les technologies prometteuses restent souvent limitées au laboratoire et ne sont pas traduites en applications réelles », a indiqué Sourabh Saha.
« La question que nous voulions répondre est : ‘Avons-nous vraiment besoin d’un laser femtoseconde de haute intensité pour imprimer à l’échelle nanométrique ?’ Notre hypothèse était que nous n’avions pas besoin de cette source de lumière pour obtenir le type d’impression que nous voulons. »
Ils ont recherché une lumière de faible coût et de faible intensité qui pourrait être focalisée de manière similaire aux lasers femtosecondes, et ont choisi les diodes électroluminescentes superluminescentes (SLEDs) pour leur disponibilité commerciale. Les SLEDs émettent une lumière qui est un milliard de fois moins intense que celle des lasers femtosecondes.
Une technologie d’impression innovante
Les chercheurs se sont mis à créer une technologie d’impression originale de type projection, en concevant un système qui convertit les images numériques en images optiques et les affiche sur une surface de verre. Le système fonctionne comme des projecteurs numériques mais produit des images plus nettement focalisées. Ils ont exploité les propriétés uniques de la lumière superluminescente pour générer des images nettement focalisées avec un minimum de défauts.
Ils ont ensuite développé une solution d’encre claire composée de sel métallique et ont ajouté d’autres produits chimiques pour s’assurer que le liquide pouvait absorber la lumière. Lorsque la lumière de leur système de projection a frappé la solution, elle a provoqué une réaction chimique qui a converti la solution de sel en métal.
Les nanoparticules métalliques se sont collées à la surface du verre, et l’agglomération des particules métalliques crée les nanostructures. Comme il s’agit d’un type d’impression par projection, il peut imprimer une structure entière en une seule fois, plutôt que point par point – ce qui le rend beaucoup plus rapide.
Des résultats prometteurs
Après avoir testé la technique, ils ont constaté que l’impression à l’échelle nanométrique de type projection est possible même avec une lumière de faible intensité, mais seulement si les images sont nettement focalisées. Les chercheurs sont en mesure de reproduire aisément leur travail en utilisant du matériel disponible dans le commerce. Contrairement à un laser femtoseconde coûteux, le type de SLED que Saha et Choi ont utilisé dans leur imprimante coûte environ 3 000 dollars.
« À l’heure actuelle, seules les meilleures universités ont accès à ces technologies coûteuses, et même dans ce cas, elles sont situées dans des installations partagées et ne sont pas toujours disponibles », a ajouté Jungho Choi. « Nous voulons démocratiser la capacité d’impression 3D à l’échelle nanométrique, et nous espérons que notre recherche ouvre la porte à un accès plus large à ce type de processus à faible coût. »
Une technique utile pour plusieurs domaines
Les chercheurs affirment que leur technique sera particulièrement utile pour les personnes travaillant dans les domaines de l’électronique, de l’optique et de la plasmonique, qui nécessitent tous une variété de nanostructures métalliques complexes.
« Je pense que les mesures de coût et de vitesse ont été grandement sous-évaluées dans la communauté scientifique qui travaille sur la fabrication et la production de structures minuscules », a précisé Sourabh Saha.
« Dans le monde réel, ces mesures sont importantes lorsqu’il s’agit de traduire les découvertes du laboratoire à l’industrie. Ce n’est que lorsque nous aurons des techniques de fabrication qui prennent en compte ces mesures que nous pourrons pleinement exploiter la nanotechnologie pour le bénéfice de la société. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la nanopatterning ?
La nanopatterning est une technique qui permet de créer des structures uniques à l’échelle nanométrique. Elle est essentielle pour le développement de nombreuses technologies, y compris les dispositifs électroniques, la conversion d’énergie solaire, les capteurs et d’autres systèmes.
Qu’est-ce qu’un laser femtoseconde ?
Un laser femtoseconde est un outil qui émet une lumière de haute intensité. Il est généralement utilisé pour l’impression à l’échelle nanométrique, mais son coût élevé le rend inaccessible pour la plupart des laboratoires de recherche et des petites entreprises.
Qu’est-ce qu’une diode électroluminescente superluminescente (SLED) ?
Une SLED est une source de lumière de faible coût et de faible intensité qui peut être focalisée de manière similaire aux lasers femtosecondes. Les SLEDs émettent une lumière qui est un milliard de fois moins intense que celle des lasers femtosecondes.
Quelle est la principale innovation de cette recherche ?
La principale innovation de cette recherche est la création d’une méthode d’impression de nanostructures métalliques qui est à la fois plus rapide et moins coûteuse que les techniques actuelles. Cette méthode utilise des SLEDs au lieu de lasers femtosecondes coûteux.
Quels sont les avantages potentiels de cette nouvelle méthode d’impression ?
Cette nouvelle méthode d’impression pourrait rendre la nanotechnologie plus accessible et plus abordable, ce qui pourrait à son tour stimuler l’innovation dans de nombreux domaines technologiques.
Références
Crédit: Georgia Institute of Technology
Saha, S., & Choi, J. (2024). A light-based means of printing nano-sized metal structures. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202308112
