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Le verre moulé comme du plastique pourrait inaugurer une nouvelle ère de formes de verre complexes

La production de verre, l'un des matériaux les plus anciens de l'humanité, fait peau neuve au XXIe siècle. Une nouvelle approche de la verrerie traite le matériau comme du plastique, permettant aux scientifiques de mouler par injection des flacons de vaccins, des canaux sinueux pour la chimie de laboratoire et d'autres formes complexes.

Source : SCIENCEMAG.ORG

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«C'est un article vraiment passionnant», déclare André Studart, spécialiste des matériaux à l'ETH Zürich. «C'est un excellent moyen de façonner le verre en des géométries complexes et intéressantes.»

Le verre a été produit pour la première fois en Égypte et en Mésopotamie orientale vers 3500 avant notre ère. Puis, comme aujourd'hui, le matériau a été fabriqué en faisant fondre du dioxyde de silicium, ou silice, à environ 2000 ° C, puis en utilisant diverses techniques pour le façonner. Les techniques modernes de fabrication du verre peuvent facilement produire en masse certaines formes, telles que des vitres plates et des bouteilles arrondies, mais elles ne peuvent pas produire en masse les conceptions complexes nécessaires aux instruments biomédicaux modernes.

En 2017, des chercheurs dirigés par Frederik Kotz, ingénieur en microsystèmes à l'Université Albert Ludwig de Fribourg, ont entrepris de changer cela. Ils ont retravaillé une imprimante 3D pour forger du verre plutôt que d'imprimer des plastiques ou des métaux.

Les scientifiques ont créé une poudre imprimable en mélangeant des nanoparticules de silice avec un polymère qui pourrait être durci avec une lumière ultraviolette (UV). Après avoir imprimé les formes qu'ils voulaient, ils ont durci le polymère avec de la lumière UV pour qu'il conserve sa forme. Ils ont ensuite cuit le mélange dans un four pour brûler le polymère et fusionner les particules de silice en une structure de verre continue.

L'approche a fonctionné, permettant de créer des formes telles que de minuscules bretzels et des répliques de portes de château. Le travail a suscité l'intérêt des entreprises souhaitant fabriquer des lentilles minuscules et d'autres composants optiques transparents complexes pour les équipements de télécommunications. Mais la procédure était lente, transformant les composants un par un, plutôt qu'une approche entièrement industrielle permettant de produire des pièces en masse, comme c'est le cas avec le plastique.

Pour accélérer les choses, Kotz et ses collègues ont maintenant étendu leur approche nanocomposite pour travailler avec le moulage par injection, un processus utilisé pour produire en masse des pièces en plastique comme des jouets et des pare-chocs de voiture à la tonne. Les chercheurs ont de nouveau commencé avec de minuscules particules de silice. L'équipe a ensuite mélangé la silice avec deux polymères, le polyéthylène glycol (PEG) et le polyvinylbutyral (PVB). Le mélange a créé une poudre sèche avec la consistance d'un dentifrice. L'équipe a introduit la pâte dans une extrudeuse qui l'a pressée dans un moule préformé avec des formes telles qu'un disque ou un petit engrenage.

En dehors du moule, les pièces conservent leur forme car une myriade de liaisons attractives faibles, appelées interactions de van der Waals, se forment entre les particules de silice voisines. Mais les pièces sont encore fragiles.

Pour les durcir, les chercheurs ont utilisé de l'eau pour éliminer le PEG. Ils ont ensuite cuit le matériau restant en deux étapes: d'abord à 600 ° C pour brûler le PVB, et ensuite à 1300 ° C pour fusionner les particules de silice dans la pièce finale.

«Ce que vous obtenez en fin de compte, c'est du verre de silice de haute pureté» dans n'importe quelle forme que vous voulez , dit Kotz. Les pièces en verre se retrouvent également avec les caractéristiques optiques et chimiques nécessaires pour les appareils de télécommunications commerciaux et les réacteurs chimiques, rapportent lui et ses collègues aujourd'hui dans Science .

C'est utile, dit Studart, car la transparence, l'inertie chimique et la stabilité du verre à haute température le rendent idéal pour les diagnostics, l'emballage pour les produits pharmaceutiques et même les surfaces bosselées qui améliorent l'efficacité des cellules solaires. «Je pense que [la méthode] déclenchera beaucoup de nouvelles idées.»

Cependant, Studart affirme que cette nouvelle approche de la production en série de pièces en verre fait toujours face à un goulot d'étranglement: le lavage du PEG doit être effectué lentement, au fil des jours, pour s'assurer que les pièces en verre ne se fissurent pas. Accélérez cela, dit-il, et le moulage par injection du verre pourrait devenir aussi populaire que celui du plastique.

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