Un muscle artificiel en nanotubes de carbone.

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Encore un bel exploit dans le domaine des nanotechnologies !

Des chercheurs de UT Dallas ("University of Texas in Dallas"), avec leur équipe internationale d'Australie, Chine, Corée du Sud et Brésil, ont réalisé des muscles artificiels particulièrement performants à partir de fils de nanotubes de carbone. Le principe consiste à infiltrer ces fils avec de la cire de paraffine et à les mettre ensuite en torsion jusqu'à ce que des spires se forment tout du long de leur longueur. Les fils acquièrent ainsi une structure hélicoïdale. Dans cette configuration, lorsque ces fils sont soumis à une source de chaleur, la cire qu'ils contiennent se dilate en entraînant une augmentation du volume des fils en même temps que leur contraction en longueur. Lorsque la source de chaleur est stoppée, le fil récupère sa torsion initiale en se refroidissant.

Vidéo de présentation de la technologie (vidéo en anglais)Crédits : UTDallasComets

Le muscle ainsi obtenu est capable de fournir des contractions importantes et ultra-rapides, lui permettant de porter plus de 100.000 fois son propre poids, et de générer plus de 85 fois l'énergie mécanique d'un muscle naturel de la même taille. Il peut ainsi porter des charges 200 fois plus lourdes que ce dernier. Si l'on attachait une hélice à ce muscle artificiel, celle-ci pourrait être mise en rotation à une vitesse moyenne de 11 500 révolutions par minute, et ce pour plus de 2 millions de cycles réversibles. Si l'on compare le couple moteur ainsi obtenu par unité de poids, celui-ci est légèrement supérieur à celui des gros moteurs électriques.

Ces performances tiennent en partie aux propriétés exceptionnelles des nanotubes de carbone. Ces fullerènes sont les premiers produits industriels issus des nanotechnologies, connus pour être les matériaux les plus résistants et durs, avec des propriétés de résistances électrique et thermique extrêmement élevées.

Même sans l'ajout de cire, les auteurs de l'étude ont pu montrer que le fait de tordre les fils de nanotubes de carbone suffisait à entraîner une augmentation de leur coefficient d'expansion d'un facteur 10. Ce coefficient d'expansion étant négatif, cela signifie que plus le fil est chauffé, plus il se contracte. L'utilisation de la cire de paraffine présente plusieurs avantages. D'une part sa stabilité thermique est élevée et elle mouille facilement les fils de nanotubes de carbone. D'autre part, ses transitions de phase sont "réglables" (largeurs et température), et le changement de volume associé à ces transitions ainsi qu'à l'expansion thermique de la cire est important. Ainsi, en confinant la cire dans les nano-pores des fils, on obtient une configuration géométrique similaire à un muscle, avec un rapport surface/volume élevé et des conductivités thermiques et électriques importantes, ce qui augmente la vitesse de réponse du muscle.

Les experts précisent cependant que ces muscles artificiels ne sont pas adaptés pour remplacer les muscles du corps humain. La technologie promet par contre de nombreuses applications, grâce à sa simplicité de mise en oeuvre et à sa performance remarquable, telles que la réalisation de robots, cathéters, micro-moteurs, mélangeurs pour les circuits micro-fluidiques, systèmes optiques réglables, micro-valves, positionneurs et même de jouets. En effet, les fils de nanotubes de carbone peuvent être combinés entre eux : mis en torsion, tissés, cousus, tressés et noués ensemble. De plus, la cire peut-être remplacée par un autre matériau ayant la propriété de changer de volume sous certaines conditions si bien que l'activation du muscle peut avoir différentes sources : électrique, chimique ou photonique selon le cas. Toutes ces possibilités permettent le développement d'une grande diversité de matériaux et textiles, intelligents et auto-alimentés.

Dans le cas des fils infiltrés par la cire de paraffine, leur haut coefficient thermique peut être utilisé pour créer un système régulant la température sur une plage étendue de -50°C à +2 500°C. Il est intéressant de noter qu'à une température extrême de +2 500°C, nous ne connaissons pas d'autres actionneurs capables de survivre. Ainsi, on pourrait par exemple imaginer des fenêtres dont l'ouverture dépendrait de la température ambiante. Ou encore des habits dont la taille des pores s'adapterait en fonction de la température extérieure afin de fournir un confort thermique optimal.

Sur le même principe, des fils infiltrés avec un matériau changeant de volume en présence de certains agents chimiques, pourraient permettre d'obtenir une régulation chimique. On réaliserait alors des habits de protection dont les pores se refermeraient en présence des produits chimiques nocifs, par exemple lors d'un incendie. De même, des valves pourraient réguler l'écoulement d'un système selon la présence d'agents chimiques.

Les auteurs de l'étude, qui sont capables de produire des fils de plusieurs km de longueur, attendent une commercialisation rapide de leur technologie, avec la réalisation de petits actionneurs constitués de fils de nanotubes de carbone dont la longueur serait de l'ordre du cm. Le défi principal résidera ensuite dans la réalisation des plus gros actionneurs, mettant en jeu des centaines de milliers de fils individuels fonctionnant en parallèle.