CA2947497A1 - Procede et dispositif permettant de modifier une caracteristique d'un element filaire, notamment la distance separant ses deux extremites - Google Patents
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Abstract
Dispositif comprenant un élément filaire et un moyen d'enroulement de ce dernier et associé audit élément filaire, caractérisé en ce que le moyen d'enroulement est apte à passer d'un premier état stable à un second état stable, ce changement d'état se faisant: soit naturellement, de façon que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement soit plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement, soit par changement d'un paramètre dit d'environnement, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen, lors du passage du premier état au second état, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF PERMETTANT DE MODIFIER
UNE CARACTERISTIQUE D'UN ELEMENT FILAIRE, NOTAMMENT LA
DISTANCE SEPARANT SES DEUX EXTREMITES
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour sa mise en oeuvre, permettant de modifier au moins une caractéristique d'un élément filaire, et notamment la distance séparant ses deux extrémités, et pourvu d'un moyen d'enroulement dudit élément filaire.
Certains matériaux possèdent des propriétés exceptionnelles. Par exemple, le Kevlar offre une résistance à la rupture très intéressante. Ce polymère thermoplastique possède une résistance à la rupture de l'ordre de 3100MPa. Cependant il est très peu élastique ou extensible et casse assez facilement en cas de compression ou lorsqu'il est mis en flambage.
A l'inverse, un matériau tel que le caoutchouc est plus ou moins élastique.
Par exemple un élastomère supporte jusqu'à 200% d'extensibilité avant d'être rompu. Par contre, ce type de matériau n'est pas très résistant en cas de choc.
Un biomatériau tel que la soie de capture d'araignée peut quant à lui regrouper plusieurs propriétés particulières telles qu'adaptabilité, extensibilité ou résistance à la rupture. Cependant il est très difficile d'en produire, ce qui rend l'utilisation de ce type de matériau quasiment inexistante.
L'invention vise donc à répondre aux problématiques exposées ci-dessus en proposant un dispositif et un procédé pour réaliser un dispositif facilement industrialisable et combinant plusieurs propriétés particulières.
A cette fin, selon l'invention, le dispositif comprenant un élément filaire et un moyen d'enroulement de ce dernier et associé audit élément filaire, est caractérisé en ce que le moyen d'enroulement est apte à passer d'un premier état stable à un second état stable, ce changement d'état se faisant :
- soit naturellement, de façon que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement soit plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement, - soit par changement d'un paramètre dit d'environnement, de manière à
provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen, lors du passage du premier état au second état.
On définit un état stable comme un état vers lequel le système revient naturellement s'il est perturbé par un évènement extérieur. Un état stable est celui où le système présente la plus basse énergie.
On entend par naturellement et affinité chimique le fait que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement est plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement. Ces interactions favorables pourront être dues à des ressemblances moléculaires (chaînes carbonées/silicées, liaison hydrogène...) de manière à ce que l'énergie de l'élément filaire et du moyen d'enroulement pris séparément soit supérieur à l'énergie de l'élément filaire et du moyen d'enroulement en interaction.
L'invention, par l'association d'un élément filaire et d'un moyen d'enroulement, ayant chacun leur fonction propre, crée une nouvelle fonction.
Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte liquide.
L'invention permet de réaliser un ensemble hybride mécanique entre liquide et solide, et ainsi d'obtenir un matériau adaptable sous compression, et qui présente une forte rigidité en traction.
C'est le cas par exemple :
UNE CARACTERISTIQUE D'UN ELEMENT FILAIRE, NOTAMMENT LA
DISTANCE SEPARANT SES DEUX EXTREMITES
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour sa mise en oeuvre, permettant de modifier au moins une caractéristique d'un élément filaire, et notamment la distance séparant ses deux extrémités, et pourvu d'un moyen d'enroulement dudit élément filaire.
Certains matériaux possèdent des propriétés exceptionnelles. Par exemple, le Kevlar offre une résistance à la rupture très intéressante. Ce polymère thermoplastique possède une résistance à la rupture de l'ordre de 3100MPa. Cependant il est très peu élastique ou extensible et casse assez facilement en cas de compression ou lorsqu'il est mis en flambage.
A l'inverse, un matériau tel que le caoutchouc est plus ou moins élastique.
Par exemple un élastomère supporte jusqu'à 200% d'extensibilité avant d'être rompu. Par contre, ce type de matériau n'est pas très résistant en cas de choc.
Un biomatériau tel que la soie de capture d'araignée peut quant à lui regrouper plusieurs propriétés particulières telles qu'adaptabilité, extensibilité ou résistance à la rupture. Cependant il est très difficile d'en produire, ce qui rend l'utilisation de ce type de matériau quasiment inexistante.
L'invention vise donc à répondre aux problématiques exposées ci-dessus en proposant un dispositif et un procédé pour réaliser un dispositif facilement industrialisable et combinant plusieurs propriétés particulières.
A cette fin, selon l'invention, le dispositif comprenant un élément filaire et un moyen d'enroulement de ce dernier et associé audit élément filaire, est caractérisé en ce que le moyen d'enroulement est apte à passer d'un premier état stable à un second état stable, ce changement d'état se faisant :
- soit naturellement, de façon que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement soit plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement, - soit par changement d'un paramètre dit d'environnement, de manière à
provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen, lors du passage du premier état au second état.
On définit un état stable comme un état vers lequel le système revient naturellement s'il est perturbé par un évènement extérieur. Un état stable est celui où le système présente la plus basse énergie.
On entend par naturellement et affinité chimique le fait que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement est plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement. Ces interactions favorables pourront être dues à des ressemblances moléculaires (chaînes carbonées/silicées, liaison hydrogène...) de manière à ce que l'énergie de l'élément filaire et du moyen d'enroulement pris séparément soit supérieur à l'énergie de l'élément filaire et du moyen d'enroulement en interaction.
L'invention, par l'association d'un élément filaire et d'un moyen d'enroulement, ayant chacun leur fonction propre, crée une nouvelle fonction.
Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte liquide.
L'invention permet de réaliser un ensemble hybride mécanique entre liquide et solide, et ainsi d'obtenir un matériau adaptable sous compression, et qui présente une forte rigidité en traction.
C'est le cas par exemple :
2 - d'un élément filaire constitué de polyuréthane en interaction avec un moyen d'enroulement constitué d'huile silicone dans un environnement constitué d'air. Dans ce cas, l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement est de 37,8 mJ/m2, alors que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement est de 20,9 mJ/m2 - ou encore d'un élément filaire constitué de verre en interaction avec un moyen d'enroulement constitué d'eau dans un environnement constitué
d'air. Dans ce cas, l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement est de 4,4 J/m2, alors que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement est de 4,33 J/m2.
L'invention vise en outre un procédé de changement d'au moins une propriété mécanique telle que la rigidité à la courbure d'un élément filaire, caractérisé en ce qu'on lui associe au moins un corps en matériau fluide (liquide, gazeux) ou solide, et en ce que l'on change au moins une caractéristique du matériau dudit corps.
Dans le cas où l'on joue sur un paramètre dit d'environnement dans lequel est placé le moyen d'enroulement et l'élément filaire. La modification pourra porter sur un paramètre tel que la pression de l'air ambiant, la température, l'intensité ou le sens du champ électrique, l'intensité ou le sens du champ magnétique, mettre en flambage l'élément filaire grâce à
une contrainte mécanique, ou tout autre paramètre apte à influencer le système, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ou autour dudit corps. Ainsi, on pourra, en changeant un des paramètres intrinsèques à l'élément filaire et/ou un paramètre dit d'environnement, exercer un phénomène de treuil capillaire. Par treuil capillaire on entend le phénomène consistant en un enroulement de l'élément filaire, dans le moyen d'enroulement, pouvant être un corps en matériau fluide ou solide.
Une contrainte mécanique représente le ratio entre la force appliquée à un objet et la section de l'objet prise perpendiculairement à la direction de la force. La notion de contrainte mécanique est utilisée pour représenter l'influence d'une force extérieure sur un objet indépendamment de sa taille.
d'air. Dans ce cas, l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement est de 4,4 J/m2, alors que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement est de 4,33 J/m2.
L'invention vise en outre un procédé de changement d'au moins une propriété mécanique telle que la rigidité à la courbure d'un élément filaire, caractérisé en ce qu'on lui associe au moins un corps en matériau fluide (liquide, gazeux) ou solide, et en ce que l'on change au moins une caractéristique du matériau dudit corps.
Dans le cas où l'on joue sur un paramètre dit d'environnement dans lequel est placé le moyen d'enroulement et l'élément filaire. La modification pourra porter sur un paramètre tel que la pression de l'air ambiant, la température, l'intensité ou le sens du champ électrique, l'intensité ou le sens du champ magnétique, mettre en flambage l'élément filaire grâce à
une contrainte mécanique, ou tout autre paramètre apte à influencer le système, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ou autour dudit corps. Ainsi, on pourra, en changeant un des paramètres intrinsèques à l'élément filaire et/ou un paramètre dit d'environnement, exercer un phénomène de treuil capillaire. Par treuil capillaire on entend le phénomène consistant en un enroulement de l'élément filaire, dans le moyen d'enroulement, pouvant être un corps en matériau fluide ou solide.
Une contrainte mécanique représente le ratio entre la force appliquée à un objet et la section de l'objet prise perpendiculairement à la direction de la force. La notion de contrainte mécanique est utilisée pour représenter l'influence d'une force extérieure sur un objet indépendamment de sa taille.
3 Pour réaliser ce phénomène particulier, l'élément filaire et le moyen d'enroulement pourront avoir des affinités définies par exemple par leurs tailles, leurs affinités chimiques, ou encore leur rapport de taille ou de poids. En effet, pour ne citer qu'un exemple non limitatif, il faut que l'élément filaire ait un diamètre suffisamment fin pour pouvoir s'enrouler à
l'aide du moyen d'enroulement, dans ou autour celui-ci. On entend par fin un fil ayant un rayon inférieur à 3 fois le rayon donné par l'équation ci-dessous.
Caractéristiques élément filaire et moyen d'enroulement :
La taille de l'élément filaire par rapport au moyen d'enroulement est une caractéristique importante pour l'activation du phénomène de treuil capillaire. L'élément filaire pourra par exemple posséder un diamètre inférieur ou égal au centimètre, être de préférence compris entre 0,1 micron et 1 cm et avantageusement de diamètre inférieur à 10 microns.
Les dimensions du moyen d'enroulement seront alors fonction des dimensions de l'élément filaire. Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. Le diamètre de la section de l'élément filaire est alors régi par la relation :
(-y cos 0)5/7 Enroulement si r < rõit = 1.31 x.5i.cm pour de l'eau sur du Nylone (p __ g) 2/7E3/7 : tension de surface 9: angle de contact p: densité du liquide E: module d'Young L'invention vise à obtenir une fibre de rayon inférieur à celui définit par cette équation, par un procédé propre à chaque matériau. On associe ensuite à la fibre un liquide présentant des caractéristiques de mouillabilité
en lien avec ladite équation, par exemple en retirant la fibre d'un bain de ce liquide, ou en vaporisant ce liquide.
Une fibre est présentement considérée comme fine si son rayon est
l'aide du moyen d'enroulement, dans ou autour celui-ci. On entend par fin un fil ayant un rayon inférieur à 3 fois le rayon donné par l'équation ci-dessous.
Caractéristiques élément filaire et moyen d'enroulement :
La taille de l'élément filaire par rapport au moyen d'enroulement est une caractéristique importante pour l'activation du phénomène de treuil capillaire. L'élément filaire pourra par exemple posséder un diamètre inférieur ou égal au centimètre, être de préférence compris entre 0,1 micron et 1 cm et avantageusement de diamètre inférieur à 10 microns.
Les dimensions du moyen d'enroulement seront alors fonction des dimensions de l'élément filaire. Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. Le diamètre de la section de l'élément filaire est alors régi par la relation :
(-y cos 0)5/7 Enroulement si r < rõit = 1.31 x.5i.cm pour de l'eau sur du Nylone (p __ g) 2/7E3/7 : tension de surface 9: angle de contact p: densité du liquide E: module d'Young L'invention vise à obtenir une fibre de rayon inférieur à celui définit par cette équation, par un procédé propre à chaque matériau. On associe ensuite à la fibre un liquide présentant des caractéristiques de mouillabilité
en lien avec ladite équation, par exemple en retirant la fibre d'un bain de ce liquide, ou en vaporisant ce liquide.
Une fibre est présentement considérée comme fine si son rayon est
4 inférieur à trois fois celui donné par ladite équation.
A titre d'exemples non limitatifs, le matériau constituant le moyen d'enroulement pourra être de l'étain, de la cire, du silicone, de l'eau ou tout liquide mouillant l'élément filaire, dans le cas où le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. L'élément filaire pourra être constitué de métaux, élastomères ou encore polymères tels que polyuréthane, caoutchouc synthétique, fibres de nylon, fibres de kevlar, fibres de carbone, acier déformable, fibres de verre, matériau plastique élastique (conservant en partie les déformations qu'on lui a imposé), matériau très déformable, ou tout matériau qui peut être obtenu en fibre fine, et avantageusement en fibres de diamètre inférieur à 10 microns.
Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. Dans ce mode particulier, la goutte de liquide constituant le moyen d'enroulement devra être compatible avec l'élément filaire. A titre d'exemple, la goutte doit mouiller l'élément filaire et doit s'étaler au maximum sur l'élément filaire. L'angle de contact effectif entre l'élément filaire et la goutte est alors inférieur à 90 .La goutte peut être déjà à l'état liquide ou peut être obtenue à partir d'un matériau solide, transformé en état liquide, et en particulier par chauffage. Dans ce mode particulier, le paramètre d'environnement est la température. La température correspondant au premier état stable du moyen d'enroulement pourra être la température ambiante, et par exemple 20 C.
La température dans le second état stable, permettant l'enroulement de l'élément filaire pourra être comprise entre la température de fusion et la température d'ébullition du liquide utilisé. Dans ce mode particulier de l'invention plusieurs gouttes liquides ou plusieurs éléments filaires pourront être associés pour décupler les effets de l'invention.
Dans un mode particulier de l'invention, le paramètre dit d'environnement est le champ électrique. Dans ce mode particulier, au moins une caractéristique du moyen d'enroulement (angle de contact, force de compression capillaire) ou de l'élément filaire (épaisseur dans le cas des polymères électro actifs par exemple) est changée.
A titre d'exemples non limitatifs, le matériau constituant le moyen d'enroulement pourra être de l'étain, de la cire, du silicone, de l'eau ou tout liquide mouillant l'élément filaire, dans le cas où le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. L'élément filaire pourra être constitué de métaux, élastomères ou encore polymères tels que polyuréthane, caoutchouc synthétique, fibres de nylon, fibres de kevlar, fibres de carbone, acier déformable, fibres de verre, matériau plastique élastique (conservant en partie les déformations qu'on lui a imposé), matériau très déformable, ou tout matériau qui peut être obtenu en fibre fine, et avantageusement en fibres de diamètre inférieur à 10 microns.
Dans un mode particulier de l'invention, le moyen d'enroulement est une goutte de liquide. Dans ce mode particulier, la goutte de liquide constituant le moyen d'enroulement devra être compatible avec l'élément filaire. A titre d'exemple, la goutte doit mouiller l'élément filaire et doit s'étaler au maximum sur l'élément filaire. L'angle de contact effectif entre l'élément filaire et la goutte est alors inférieur à 90 .La goutte peut être déjà à l'état liquide ou peut être obtenue à partir d'un matériau solide, transformé en état liquide, et en particulier par chauffage. Dans ce mode particulier, le paramètre d'environnement est la température. La température correspondant au premier état stable du moyen d'enroulement pourra être la température ambiante, et par exemple 20 C.
La température dans le second état stable, permettant l'enroulement de l'élément filaire pourra être comprise entre la température de fusion et la température d'ébullition du liquide utilisé. Dans ce mode particulier de l'invention plusieurs gouttes liquides ou plusieurs éléments filaires pourront être associés pour décupler les effets de l'invention.
Dans un mode particulier de l'invention, le paramètre dit d'environnement est le champ électrique. Dans ce mode particulier, au moins une caractéristique du moyen d'enroulement (angle de contact, force de compression capillaire) ou de l'élément filaire (épaisseur dans le cas des polymères électro actifs par exemple) est changée.
5 Le changement d'état est réversible.
Ledit paramètre est dans un exemple, - la température (selon une forme particulière, la température dans le second état modifié, provoquant l'enroulement de l'élément filaire, étant comprise entre 30 et 80 C, et de préférence entre 50 et 70 C) ;
- un champ électrique ;
- l'ajout audit corps d'une substance modifiant sa mouillabilité.
Ledit corps est une goutte de liquide mouillant ou un liquide à mouillage partiel dont l'angle de contact est inférieur à 90 .
Le matériau constituant le moyen d'enroulement présente l'une et/ou l'autre des caractéristiques suivantes :
- une température de transition vitreuse comprise entre 30 C et 80 C, et de préférence entre 45 et 65 C;
- un changement de viscosité au-delà de la température ambiante :
15- est de l'étain, de la cire, du silicone.
L'élément filaire :
- possède un diamètre inférieur ou égal au centimètre, de préférence est compris entre 0,5 micron et 1 cm, de préférence entre 1 micron et 100 microns, de manière encore plus préférée entre 1 micron et 10 microns ;
et/ou - présente des caractéristiques, d'une part du module d'Young (E) et d'autre part de rayon (r), telles que : E r 3 G 300, E étant exprimé en MPa et r en micron ;
25- est constitué de polyuréthane, caoutchouc synthétique, fibre de nylon, fibre de kevlar (R), fibre de carbone, acier à haute élasticité, matériau plastique élastique, matériau super élastique.
Le rapport de dimension entre le diamètre de l'élément filaire et le diamètre du bloc ou de la goutte est compris entre 0,0125 et 0,05.
Les matériaux dits à haute élasticité ou super-élastiques sont des matériaux à même de se déformer fortement avant d'atteindre leur point
Ledit paramètre est dans un exemple, - la température (selon une forme particulière, la température dans le second état modifié, provoquant l'enroulement de l'élément filaire, étant comprise entre 30 et 80 C, et de préférence entre 50 et 70 C) ;
- un champ électrique ;
- l'ajout audit corps d'une substance modifiant sa mouillabilité.
Ledit corps est une goutte de liquide mouillant ou un liquide à mouillage partiel dont l'angle de contact est inférieur à 90 .
Le matériau constituant le moyen d'enroulement présente l'une et/ou l'autre des caractéristiques suivantes :
- une température de transition vitreuse comprise entre 30 C et 80 C, et de préférence entre 45 et 65 C;
- un changement de viscosité au-delà de la température ambiante :
15- est de l'étain, de la cire, du silicone.
L'élément filaire :
- possède un diamètre inférieur ou égal au centimètre, de préférence est compris entre 0,5 micron et 1 cm, de préférence entre 1 micron et 100 microns, de manière encore plus préférée entre 1 micron et 10 microns ;
et/ou - présente des caractéristiques, d'une part du module d'Young (E) et d'autre part de rayon (r), telles que : E r 3 G 300, E étant exprimé en MPa et r en micron ;
25- est constitué de polyuréthane, caoutchouc synthétique, fibre de nylon, fibre de kevlar (R), fibre de carbone, acier à haute élasticité, matériau plastique élastique, matériau super élastique.
Le rapport de dimension entre le diamètre de l'élément filaire et le diamètre du bloc ou de la goutte est compris entre 0,0125 et 0,05.
Les matériaux dits à haute élasticité ou super-élastiques sont des matériaux à même de se déformer fortement avant d'atteindre leur point
6 de rupture. Par exemple, le verre se déforme de 0,5 % avant rupture. Les matériaux super-élastiques quant à eux sont beaucoup plus déformables, d'au moins 5 % (avant rupture).
Le diamètre de la goutte est compris entre 1 micron et 1 cm.
Le diamètre du moyen d'enroulement est inférieur à 3 mm.
Le diamètre du moyen d'enroulement est compris entre 20 et 80 fois le rayon de l'élément filaire, et de préférence entre 45 et 55 fois le rayon.
L'invention concerne également l'application du dispositif ci-dessus pour constituer un moteur, un activateur, un actuateur, un muscle artificiel, un moyen pour déplacer un objet par rapport à un autre objet (les objets étant reliés aux deux extrémités respectives dudit élément filaire), un ensemble de jonctions électriques ou électroniques de longueur variable, explicités par la suite dans la description.
En outre, l'invention concerne un procédé visant à munir la goutte de liquide de moyens de protection contre les agressions extérieures, mécaniques ou autres.
A cette fin, on réalise une encapsulation de la goutte dans une enveloppe formée d'une multitude de grains solides, et de taille inférieure à 50 fois, de préférence 100 fois plus petite que cette dernière, les grains recouvrant la surface extérieure de la goutte, au moins en majeure partie, et de préférence la totalité de la surface de celle-ci.
Plus précisément, les grains sont formés de colloïdes, de taille micrométrique, et sont par exemple en verre, polystyrène ou tout autre matériau comprenant les propriétés requises de mouillage, c'est-à-dire que l'énergie d'interaction entre les grains et la goutte doit être du même ordre de grandeur que l'énergie d'interaction entre les grains et le milieu extérieur.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, se rapportant aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 montre une vue de dessus d'une goutte de liquide et un fil de
Le diamètre de la goutte est compris entre 1 micron et 1 cm.
Le diamètre du moyen d'enroulement est inférieur à 3 mm.
Le diamètre du moyen d'enroulement est compris entre 20 et 80 fois le rayon de l'élément filaire, et de préférence entre 45 et 55 fois le rayon.
L'invention concerne également l'application du dispositif ci-dessus pour constituer un moteur, un activateur, un actuateur, un muscle artificiel, un moyen pour déplacer un objet par rapport à un autre objet (les objets étant reliés aux deux extrémités respectives dudit élément filaire), un ensemble de jonctions électriques ou électroniques de longueur variable, explicités par la suite dans la description.
En outre, l'invention concerne un procédé visant à munir la goutte de liquide de moyens de protection contre les agressions extérieures, mécaniques ou autres.
A cette fin, on réalise une encapsulation de la goutte dans une enveloppe formée d'une multitude de grains solides, et de taille inférieure à 50 fois, de préférence 100 fois plus petite que cette dernière, les grains recouvrant la surface extérieure de la goutte, au moins en majeure partie, et de préférence la totalité de la surface de celle-ci.
Plus précisément, les grains sont formés de colloïdes, de taille micrométrique, et sont par exemple en verre, polystyrène ou tout autre matériau comprenant les propriétés requises de mouillage, c'est-à-dire que l'énergie d'interaction entre les grains et la goutte doit être du même ordre de grandeur que l'énergie d'interaction entre les grains et le milieu extérieur.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, se rapportant aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 montre une vue de dessus d'une goutte de liquide et un fil de
7 polyuréthane, enroulé à l'intérieur de celle-ci.
La Figure 2 montre la courbe de variation de l'élongation d'un fil de capture d'araignée en fonction de la force de traction, La figure 3 montre la courbe de traction d'un fil de polyuréthane avec goutte (courbe en traits pointillés) et sans (courbe en trait plein) goutte.
Les figures 4A et 4B sont des photos montrant une goutte et le fil associé, respectivement à température ambiante et à 75 C.
Les figures 5A et 5B sont des schémas en perspective d'un autre exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La figure 6 montre l'application particulière du dispositif pour créer un ressort.
La figure 7 montre une vue de face schématique d'une goutte pourvue sur sa surface de grains d'encapsulation, et placée dans un liquide ;
La figure 8 montre une photographie d'une goutte d'une goutte recouverte de grains d'encapsulation.
Le procédé et le dispositif de l'invention font appel aux notions suivantes :
Quand on tire sur un ressort de longueur à vide Lo, le ressort s'allonge, sa longueur grandit est vaut L. L'allongement L- Lo est proportionnel à la force de tension F.
La fibre utilisée dans l'invention pourra être super élastique.
Superélasticité est un terme utilisé dans le domaine des alliages à
mémoire de forme (AMF, ou shape memory alloy, SMA, en anglais). Si un tel alliage est soumis à une tension, il s'étire fortement, puis lorsque l'on relâche la tension, il se rétracte jusqu'à retrouver sa longueur initiale (pas de déformation résiduelle). Le comportement mécanique particulier des AMF est dû à un changement de phase dans la microstructure du matériau.
La figure 1 est une représentation d'un mode particulier de l'invention où
les gouttes sont à même de plier et d'enrouler le fil au sein d'elles-mêmes.
La Figure 2 montre la courbe de variation de l'élongation d'un fil de capture d'araignée en fonction de la force de traction, La figure 3 montre la courbe de traction d'un fil de polyuréthane avec goutte (courbe en traits pointillés) et sans (courbe en trait plein) goutte.
Les figures 4A et 4B sont des photos montrant une goutte et le fil associé, respectivement à température ambiante et à 75 C.
Les figures 5A et 5B sont des schémas en perspective d'un autre exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La figure 6 montre l'application particulière du dispositif pour créer un ressort.
La figure 7 montre une vue de face schématique d'une goutte pourvue sur sa surface de grains d'encapsulation, et placée dans un liquide ;
La figure 8 montre une photographie d'une goutte d'une goutte recouverte de grains d'encapsulation.
Le procédé et le dispositif de l'invention font appel aux notions suivantes :
Quand on tire sur un ressort de longueur à vide Lo, le ressort s'allonge, sa longueur grandit est vaut L. L'allongement L- Lo est proportionnel à la force de tension F.
La fibre utilisée dans l'invention pourra être super élastique.
Superélasticité est un terme utilisé dans le domaine des alliages à
mémoire de forme (AMF, ou shape memory alloy, SMA, en anglais). Si un tel alliage est soumis à une tension, il s'étire fortement, puis lorsque l'on relâche la tension, il se rétracte jusqu'à retrouver sa longueur initiale (pas de déformation résiduelle). Le comportement mécanique particulier des AMF est dû à un changement de phase dans la microstructure du matériau.
La figure 1 est une représentation d'un mode particulier de l'invention où
les gouttes sont à même de plier et d'enrouler le fil au sein d'elles-mêmes.
8 Les gouttes disposées sur le fil compressent localement ce dernier par contraction capillaire. Cette compression capillaire vient du fait que la goutte tend à adopter une forme sphérique, qui minimise sa surface avec son environnement. Si cette compression est suffisamment forte, la fibre présente dans la goutte peut se plier, voire s'enrouler dans la goutte, réalisant ainsi un treuil capillaire . A titre d'exemple, la courbe de traction d'un fil de soie d'araignée, considéré comme le matériau biologique le plus intéressant à reproduire est donnée en Figure 2. Cette courbe montre que le fil peut être fortement étiré. Cette grande extensibilité vient de la réserve de fil présente dans les gouttes, grâce à l'enroulement capillaire.
La rigidité à l'extension est adaptable : à petites déformations, la rigidité
est quasi-nulle, le fil ne fait que se dérouler. A grandes déformations, le fil commence à être réellement étiré, et présente une rigidité comparable à
un matériau tel que le Nylon . Cette courbe de traction ressemble à celle d'un matériau comme le collagène. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas d'applications biologiques, où l'on cherche un matériau adaptable avec une réponse mécanique évoluant avec la déformation.
La présente invention met en oeuvre ce phénomène avec, à titre d'exemple, des fibres synthétiques, à condition que la fibre soit suffisamment petite pour être pliable, et que le liquide constituant la goutte soit assez mouillant. Ce phénomène est ainsi reproductible avec une large gamme de matériaux et de liquides.
Dans un mode particulier de l'invention, l'élément filaire est composé de fils de polyuréthane mou, un polymère commercial commun et peu onéreux. Le polyuréthane est fondu, extrudé à haute vitesse pour former une fibre de taille micronique. Sur cette fibre est déposée une goutte d'huile silicone et le phénomène de treuil capillaire se manifeste automatiquement, voir Figure 1. On obtient alors un fil, associé à des gouttes d'huile silicone, et qui peut être étiré à plus de vingt fois sa longueur initiale avec une force constante. De plus, ce fil est automatiquement tendu quelle que soit l'extension ; il n'y a pas de fléchissement gravitaire. La rétention sous compression signifie qu'il reste donc tendu lorsqu'on rapproche ses extrémités. Enfin, les gouttes lui confèrent un grand pouvoir d'amortissement (absorption de chocs,
La rigidité à l'extension est adaptable : à petites déformations, la rigidité
est quasi-nulle, le fil ne fait que se dérouler. A grandes déformations, le fil commence à être réellement étiré, et présente une rigidité comparable à
un matériau tel que le Nylon . Cette courbe de traction ressemble à celle d'un matériau comme le collagène. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas d'applications biologiques, où l'on cherche un matériau adaptable avec une réponse mécanique évoluant avec la déformation.
La présente invention met en oeuvre ce phénomène avec, à titre d'exemple, des fibres synthétiques, à condition que la fibre soit suffisamment petite pour être pliable, et que le liquide constituant la goutte soit assez mouillant. Ce phénomène est ainsi reproductible avec une large gamme de matériaux et de liquides.
Dans un mode particulier de l'invention, l'élément filaire est composé de fils de polyuréthane mou, un polymère commercial commun et peu onéreux. Le polyuréthane est fondu, extrudé à haute vitesse pour former une fibre de taille micronique. Sur cette fibre est déposée une goutte d'huile silicone et le phénomène de treuil capillaire se manifeste automatiquement, voir Figure 1. On obtient alors un fil, associé à des gouttes d'huile silicone, et qui peut être étiré à plus de vingt fois sa longueur initiale avec une force constante. De plus, ce fil est automatiquement tendu quelle que soit l'extension ; il n'y a pas de fléchissement gravitaire. La rétention sous compression signifie qu'il reste donc tendu lorsqu'on rapproche ses extrémités. Enfin, les gouttes lui confèrent un grand pouvoir d'amortissement (absorption de chocs,
9 amortissement de vibrations, etc.). La figure 3 montre que le fil de polyuréthane associé aux gouttes reproduit qualitativement les propriétés mécaniques de la soie de capture (retension sous compression, rigidité
adaptable et excellent amortissement). L'ensemble fil / goutte présente une réponse mécanique typique d'un matériau biologique, bien qu'étant complètement artificiel. La figure 3 montre la courbe de traction d'un fil de polyuréthane avec (courbe traits pointillés) et sans (courbe trait plein) goutte. La courbe en trait plein montre les propriétés mécaniques intrinsèques du fil de polyuréthane, semblables à celle d'un élastomère classique type bande de caoutchouc. La courbe en traits pointillés montre la forte extensibilité (multipliée par un facteur 4) du fil lorsqu'il est décoré
de gouttes, ainsi que la rigidité adaptable.
Cas particulier : activation thermique du phénomène : polyacide lactique (P LA).
La rigidité à la courbure d'un fil dépend de son épaisseur et de sa rigidité
élastique naturelle en extension (module d'Young). On modifie le module d'Young pour pouvoir déclencher à volonté le mécanisme de treuil. On utilise un fil de PLA dont le module d'Young est de l'ordre du Giga Pascal (GPa), et de 1 à 3 microns de diamètre. Un tel fil, une fois associé aux gouttes d'huile silicone, ne subit pas de mécanisme de treuil car il est trop rigide. Lorsqu'il est chauffé à 75 C (température critique de transition vitreuse de ce polymère ¨ on entend par transition vitreuse la transition qui sépare un état vitreux tel que le verre (rigide et cassant) et un état caoutchouteux (mou et extensible)), le fil voit sa rigidité divisée par un facteur 1000 et le phénomène de treuil se manifeste alors directement.
En repassant sous la température critique, on gèle l'enroulement (voir le paragraphe Applications envisagées ci-après). On peut donc utiliser la température comme commande ou interrupteur de façon à contrôler le phénomène de treuil. De la même manière, l'utilisation de gouttes d'étain fondu (dont la température de fusion est autour de 200 C) pourrait permettre d'activer thermiquement le phénomène ou de geler l'enroulement.
Le dispositif de l'invention est simple à mettre en oeuvre pour doter des matériaux classiques de propriétés mécaniques extrêmes telles que super extensibilité, adaptabilité de la longueur (méta-matériaux intelligents), excellent amortissement, et parfaite réversibilité parfaite (pas de plasticité ni de fatigue).
On décrit en référence aux figures 5A et 5B un autre mode d'utilisation du dispositif.
Dans ce mode particulier, on utilise des gouttes d'étain (ou de cire ou un autre matériau facilement liquéfiable) pour déplacer (par translation) des microsystèmes. Deux blocs ou objets faisant partie d'un microsystème doivent être rapprochés (figure 5A). Ils sont reliés par des fils métalliques, ces fils étant associés selon l'invention à de petits morceaux d'étain solide. L'étain est liquéfié (par laser, ou par effet Joule - échauffement du fil lorsque traversé par un courant électrique). Le mécanisme de treuil décrit plus haut s'active et les blocs sont rapprochés l'un de l'autre. Une fois la translation effectuée, l'étain pourra être re-solidifié et le système ainsi bloqué en position rapprochée .
En changeant (même légèrement) les propriétés mécaniques du fil et du matériau constitutif du corps formant la goutte, le couplage entre la fibre et la goutte qu'elle porte peut avoir un effet d'avalanche et changer complètement les propriétés mécaniques globales. Il est donc possible de passer d'un matériau classique à un matériau possédant des propriétés exceptionnelles, adaptables sous l'effet de stimuli extérieurs, même faibles : la température influe sur la rigidité de la fibre, un champ électrique influe sur l'effet de treuil capillaire de la goutte, de même que des surfactants pouvant répondre à de nombreux stimuli extérieurs tels que l'activation lumineuse, thermique ou électrique. Cependant, il est aussi possible et simple d'utiliser des paramètres qui rendent durables les propriétés mécaniques, tels que dans l'exemple non limitatif de la goutte d'étain solidifiée.
La grande liberté sur les paramètres en jeu (tailles de la goutte et de la fibre, rigidité de la fibre et liquide constituant la goutte) permettent en retour une grande liberté sur l'ajustement des nouvelles propriétés mécaniques.
Les matériaux ainsi créés peuvent trouver application dans les domaines suivants :
1/ Nanoélectronique/électronique flexible 2/ Nano-robotique 3/ Micro-fabrication 3D compacte, déployable et auto-organisée 4/ Muscle artificiel 5/ Micro actuateur/moteur parfait Les applications citées ci-dessus ne sont nullement limitatives et d'autres applications facilement imaginables peuvent bien sûr être envisagées avec ce type de dispositif.
En électronique, on peut ainsi créer un fil métallique conducteur dont les propriétés mécaniques sont rendues adaptables par le procédé de l'invention. Ce fil, dont les jonctions électroniques entre composants deviennent extrêmement déformables, permet de créer des objets qui peuvent se déployer de 10000%, contre 10% dans les applications connues.
En robotique, l'ensemble fil / moyen d'enroulement (goutte) peut être utilisé comme moteur. En effet, en enroulant le fil grâce à l'effet de treuil, la goutte applique une force motrice sur le fil, qui peut ensuite être appliquée sur un système extérieur. Cela pourrait aussi servir d'actuateur ou de moteur qui peut être allumé ou éteint à volonté (phénomène réversible). Un aspect très intéressant de ce moteur/actuateur est qu'aucun matériau n'est physiquement étiré durant l'élongation à faible déformation, ce qui permet d'avoir une réversibilité parfaite du moteur, et donc une durée de vie beaucoup plus importante qu'avec des matériaux classiques qui comportent de la plasticité. Cette invention permet également de limiter la fatigue, phénomènes limitant la performance et provoquant ultimement la rupture En micro-fabrication, le système d'actuateur peut être utilisé pour créer un enroulement local de fil permanent, lorsque la goutte est retirée : si l'on place une goutte sur une fibre rigide, puis que l'on augmente sa température, alors le fil s'enroule dans la goutte, et quand la température rediminue, l'enroulement est gelé . Un objet 3D avec une géométrie complexe est ainsi créé de façon simple (voir figure 6). Pour les matériaux plastiques, le changement d'un paramètre dit d'environnement n'est pas une nécessité. L'enroulement peut se faire naturellement de par l'affinité
de l'élément filaire et du moyen d'enroulement, toutefois, les performances s'en trouveront réduites.
De même, plusieurs éléments filaires peuvent être associés pour notamment réaliser un muscle artificiel. En effet, il suffit d'attacher un grand nombre d'éléments filaires/moyens d'enroulement activables entre deux surfaces pour décupler les effets de l'invention et obtenir une fibre musculaire artificielle.
Enfin, l'invention pourra être utilisée pour créer des ressorts ou des objets tridimensionnels complexes, tels qu'une micro-bobine. En effet, il est facilement imaginable de créer un enroulement, par exemple avec une goutte de liquide (cas non limitatif). Cette goutte de liquide, présentant une affinité avec un élément filaire permettra donc à l'élément filaire de s'enrouler dans cette goutte. Une fois enroulé, l'utilisateur peut décider de venir aspirer la goutte, par exemple à l'aide d'une pipette, ou encore de retirer la goutte sans contact, par soufflage ou champ électrique intense pulsé. L'élément filaire se retrouve donc à l'état enroulé , et un ressort par exemple pourra être créé. Pour que cet enroulement soit stable, il faut cependant que l'élément filaire ait subi des déformations permanentes, soit par la procédure décrite ci-dessus, dans le paragraphe micro-fabrication , soit par la plastification. (Figure 6) Il sera également possible de réaliser, dans le mode particulier de l'invention où le moyen d'enroulement est une goutte, d'encapsuler cette goutte. Cette encapsulation pourra être aussi bien physique, par la construction d'une cage non mouillante pour la goutte (exemple non limitatif), que chimique, par l'utilisation de fluides viscoélastiques, qui possèdent la propriété de se comporter comme un solide en cas de contact rapide, et donc ne pas s'étaler.
A titre d'exemple non limitatif, l'élément filaire pourra avoir les caractéristiques suivantes :
- Réduction maximale de la longueur initiale d'un fil obtenue avec un échantillon de 8,4 mm de longueur, devenu 1,7 mm après enroulement, soit une réduction de longueur d'un facteur 80 /0. Ceci a été fait grâce à
une seule goutte d'huile silicone Rhodorsil 47V1000 de 167 microns de diamètre, enroulant 6,7mm en son sein, soit 40 fois sa taille (12,5 tours).
- Module d'Young de la fibre utilisée : 12 +/- 1 MPa.
- Rayon de la fibre : 2,3 +/- 0,2 microns.
- L'élément filaire est une fibre d'Elastollan.
L'échantillon d'Elastollan connu (sans goutte) a une extensibilité à la rupture de +530 /0, alors que le même échantillon associé à une goutte d'huile silicone (selon l'invention) a une extensibilité à la rupture de plus de 3000 /0.
Ce fil a été produit de la façon suivante :
Quelques granules de TPU Elastollan 1185A sont posées sur une plaque chauffante recouverte de papier aluminium, réglée sur 230 C. Quand le TPU fond, une partie est pincée et étirée aussi rapidement que possible par l'opérateur, créant ainsi plusieurs mètres de fibres microniques. Une partie semblant homogène est sélectionnée, et la fibre est enroulée à un bout autour du capteur FemtoTools FT-S1000 monté sur un positionneur linéaire SmarAct SLC-1730 et collé avec de la colle type Loctite ou SuperGlue sur une lamelle de verre à l'autre bout.
Une goutte d'huile silicone Rhodorsil 47V1000 pend de l'embout d'une seringue de 0.4mm de diamètre, et la fibre est brossée dans le sens de sa longueur afin de déposer une grande quantité de liquide.
Le temps typique de réaction dynamique du système est de l'ordre de 100 ms.
La figure 3 montre les variations de la force de tension en fonction de l'extension (Strain) du système. L'extension est définie comme (L-L0)/1-0.
On voit en Figure 3 la réponse mécanique du système de l'invention : la force de tension en fonction de l'extension (Strain) du système.
L'extension est définie comme (L-L0)/L0 où Lo est la longueur du système au départ lorsque beaucoup de fibre est enroulée dans la/les gouttes. En traits pointillés, la réponse du système montrant une super élasticité : la longueur est multipliée par 3,5 (déformation ou strain = 2,5) avant d'atteindre la zone où une raideur type ressort se fait ressentir. En traits pleins, on trace pour comparaison la réponse d'une fibre en l'absence de goutte liquide. Il n'y a alors aucune réserve de longueur et le système répond tout de suite comme un ressort. On voit ainsi que la fibre de l'invention (associée à une goutte) a une grande réserve d'extensibilité.
L'encart montre pour comparaison la réponse mécanique d'une fibre d'araignée. L'ensemble fil / goutte de l'invention présentant typiquement les mêmes propriétés mécaniques que le fil d'araignée, tout en permettant d'éviter les difficultés de la synthèse de la soie d'araignée et de la caractérisation des gouttes liquides naturelles, présentes sur le fil d'araignée.
Les figures 4A et 4B sont des photos montrant une goutte associée à un fil en PLA, respectivement à température ambiante et à 75 C.
Afin d'illustrer au mieux les résultats issus des figures 4A et 4B, le PLA
utilisé pour ces figures possède les caractéristiques suivantes :
Module d'Young du PLA : 5 GPa à température ambiante, 70 MPa à 75 C.
Température de transition vitreuse : 60 C.
Rayon du fil utilisé : 1,7 microns (même technique que pour le TPU, excepté que l'on utilise une buse métallique pour l'extrusion à la place de la simple plaque chauffante).
Taille de la goutte d'huile silicone 47V1000 : 217 microns de diamètre.
Nombre de tours réalisés : 2,5 tours (soit 8 fois la taille de la goutte).
Selon un autre aspect de l'invention, en référence aux figures 7 et 8, l'invention concerne un procédé permettant de munir la goute de liquide de moyens de protection contre les agressions extérieures, mécaniques ou autres.
Ledit procédé réalise une encapsulation de la goutte dans une enveloppe formée d'une multitude de grains, formé chacun d'un liquide différent de celui de la goutte, et de taille inférieure à 50 fois, de préférence 100 fois plus petite que la goutte. La multitude de grains recouvre la surface extérieure de la goutte, de préférence en totalité.
Plus précisément, les grains sont formés de colloïdes, de taille micrométrique, et sont par exemple en verre, polystyrène ou tout autre matériau comprenant les propriétés requises de mouillage, c'est-à-dire que l'énergie d'interaction entre les grains et la goutte doit être du même ordre de grandeur que l'énergie d'interaction entre les grains et le milieu extérieur.
On procède de la manière suivante (figure 7) :
Les grains 1 sont mélangés à un premier liquide, par exemple de l'huile, puis une goutte 2 formée du mélange est placée dans un second liquide 3, par exemple de l'eau.
Sur la figure 7, seuls quelques grains sont montrés pour des raisons de clarté, étant entendu que la totalité de la surface de la goutte est recouverte de grains.
La figure 8 est une photographie d'une goutte recouverte de grains, selon la figure 7.
La méthode d'encapsulation par grains est utilisée car elle a l'avantage de constituer une protection sans pour autant compromettre la nature liquide de la goutte. En effet, contrairement à une coque solide, les grains peuvent se déplacer et se réorganiser à la surface de la goutte. L'homme de l'art pourra se référer à la publication : Aussillous, Pascale, and David Quéré. "Liquid marbies." Nature 411,6840 (2001) 924-927.
Ainsi, des objets de taille semblable aux grains pourrait pénétrer à
l'intérieur de la goutte comme si celle-ci n'avait pas d'armure. Au contraire, les objets gros par rapport aux grains seront maintenus à une distance de sécurité.. Ceci permet de faire passer un fil à l'intérieur de la goutte et de conserver le système de treuil capillaire, tout en ayant une résistance aux chocs contre des surfaces.
adaptable et excellent amortissement). L'ensemble fil / goutte présente une réponse mécanique typique d'un matériau biologique, bien qu'étant complètement artificiel. La figure 3 montre la courbe de traction d'un fil de polyuréthane avec (courbe traits pointillés) et sans (courbe trait plein) goutte. La courbe en trait plein montre les propriétés mécaniques intrinsèques du fil de polyuréthane, semblables à celle d'un élastomère classique type bande de caoutchouc. La courbe en traits pointillés montre la forte extensibilité (multipliée par un facteur 4) du fil lorsqu'il est décoré
de gouttes, ainsi que la rigidité adaptable.
Cas particulier : activation thermique du phénomène : polyacide lactique (P LA).
La rigidité à la courbure d'un fil dépend de son épaisseur et de sa rigidité
élastique naturelle en extension (module d'Young). On modifie le module d'Young pour pouvoir déclencher à volonté le mécanisme de treuil. On utilise un fil de PLA dont le module d'Young est de l'ordre du Giga Pascal (GPa), et de 1 à 3 microns de diamètre. Un tel fil, une fois associé aux gouttes d'huile silicone, ne subit pas de mécanisme de treuil car il est trop rigide. Lorsqu'il est chauffé à 75 C (température critique de transition vitreuse de ce polymère ¨ on entend par transition vitreuse la transition qui sépare un état vitreux tel que le verre (rigide et cassant) et un état caoutchouteux (mou et extensible)), le fil voit sa rigidité divisée par un facteur 1000 et le phénomène de treuil se manifeste alors directement.
En repassant sous la température critique, on gèle l'enroulement (voir le paragraphe Applications envisagées ci-après). On peut donc utiliser la température comme commande ou interrupteur de façon à contrôler le phénomène de treuil. De la même manière, l'utilisation de gouttes d'étain fondu (dont la température de fusion est autour de 200 C) pourrait permettre d'activer thermiquement le phénomène ou de geler l'enroulement.
Le dispositif de l'invention est simple à mettre en oeuvre pour doter des matériaux classiques de propriétés mécaniques extrêmes telles que super extensibilité, adaptabilité de la longueur (méta-matériaux intelligents), excellent amortissement, et parfaite réversibilité parfaite (pas de plasticité ni de fatigue).
On décrit en référence aux figures 5A et 5B un autre mode d'utilisation du dispositif.
Dans ce mode particulier, on utilise des gouttes d'étain (ou de cire ou un autre matériau facilement liquéfiable) pour déplacer (par translation) des microsystèmes. Deux blocs ou objets faisant partie d'un microsystème doivent être rapprochés (figure 5A). Ils sont reliés par des fils métalliques, ces fils étant associés selon l'invention à de petits morceaux d'étain solide. L'étain est liquéfié (par laser, ou par effet Joule - échauffement du fil lorsque traversé par un courant électrique). Le mécanisme de treuil décrit plus haut s'active et les blocs sont rapprochés l'un de l'autre. Une fois la translation effectuée, l'étain pourra être re-solidifié et le système ainsi bloqué en position rapprochée .
En changeant (même légèrement) les propriétés mécaniques du fil et du matériau constitutif du corps formant la goutte, le couplage entre la fibre et la goutte qu'elle porte peut avoir un effet d'avalanche et changer complètement les propriétés mécaniques globales. Il est donc possible de passer d'un matériau classique à un matériau possédant des propriétés exceptionnelles, adaptables sous l'effet de stimuli extérieurs, même faibles : la température influe sur la rigidité de la fibre, un champ électrique influe sur l'effet de treuil capillaire de la goutte, de même que des surfactants pouvant répondre à de nombreux stimuli extérieurs tels que l'activation lumineuse, thermique ou électrique. Cependant, il est aussi possible et simple d'utiliser des paramètres qui rendent durables les propriétés mécaniques, tels que dans l'exemple non limitatif de la goutte d'étain solidifiée.
La grande liberté sur les paramètres en jeu (tailles de la goutte et de la fibre, rigidité de la fibre et liquide constituant la goutte) permettent en retour une grande liberté sur l'ajustement des nouvelles propriétés mécaniques.
Les matériaux ainsi créés peuvent trouver application dans les domaines suivants :
1/ Nanoélectronique/électronique flexible 2/ Nano-robotique 3/ Micro-fabrication 3D compacte, déployable et auto-organisée 4/ Muscle artificiel 5/ Micro actuateur/moteur parfait Les applications citées ci-dessus ne sont nullement limitatives et d'autres applications facilement imaginables peuvent bien sûr être envisagées avec ce type de dispositif.
En électronique, on peut ainsi créer un fil métallique conducteur dont les propriétés mécaniques sont rendues adaptables par le procédé de l'invention. Ce fil, dont les jonctions électroniques entre composants deviennent extrêmement déformables, permet de créer des objets qui peuvent se déployer de 10000%, contre 10% dans les applications connues.
En robotique, l'ensemble fil / moyen d'enroulement (goutte) peut être utilisé comme moteur. En effet, en enroulant le fil grâce à l'effet de treuil, la goutte applique une force motrice sur le fil, qui peut ensuite être appliquée sur un système extérieur. Cela pourrait aussi servir d'actuateur ou de moteur qui peut être allumé ou éteint à volonté (phénomène réversible). Un aspect très intéressant de ce moteur/actuateur est qu'aucun matériau n'est physiquement étiré durant l'élongation à faible déformation, ce qui permet d'avoir une réversibilité parfaite du moteur, et donc une durée de vie beaucoup plus importante qu'avec des matériaux classiques qui comportent de la plasticité. Cette invention permet également de limiter la fatigue, phénomènes limitant la performance et provoquant ultimement la rupture En micro-fabrication, le système d'actuateur peut être utilisé pour créer un enroulement local de fil permanent, lorsque la goutte est retirée : si l'on place une goutte sur une fibre rigide, puis que l'on augmente sa température, alors le fil s'enroule dans la goutte, et quand la température rediminue, l'enroulement est gelé . Un objet 3D avec une géométrie complexe est ainsi créé de façon simple (voir figure 6). Pour les matériaux plastiques, le changement d'un paramètre dit d'environnement n'est pas une nécessité. L'enroulement peut se faire naturellement de par l'affinité
de l'élément filaire et du moyen d'enroulement, toutefois, les performances s'en trouveront réduites.
De même, plusieurs éléments filaires peuvent être associés pour notamment réaliser un muscle artificiel. En effet, il suffit d'attacher un grand nombre d'éléments filaires/moyens d'enroulement activables entre deux surfaces pour décupler les effets de l'invention et obtenir une fibre musculaire artificielle.
Enfin, l'invention pourra être utilisée pour créer des ressorts ou des objets tridimensionnels complexes, tels qu'une micro-bobine. En effet, il est facilement imaginable de créer un enroulement, par exemple avec une goutte de liquide (cas non limitatif). Cette goutte de liquide, présentant une affinité avec un élément filaire permettra donc à l'élément filaire de s'enrouler dans cette goutte. Une fois enroulé, l'utilisateur peut décider de venir aspirer la goutte, par exemple à l'aide d'une pipette, ou encore de retirer la goutte sans contact, par soufflage ou champ électrique intense pulsé. L'élément filaire se retrouve donc à l'état enroulé , et un ressort par exemple pourra être créé. Pour que cet enroulement soit stable, il faut cependant que l'élément filaire ait subi des déformations permanentes, soit par la procédure décrite ci-dessus, dans le paragraphe micro-fabrication , soit par la plastification. (Figure 6) Il sera également possible de réaliser, dans le mode particulier de l'invention où le moyen d'enroulement est une goutte, d'encapsuler cette goutte. Cette encapsulation pourra être aussi bien physique, par la construction d'une cage non mouillante pour la goutte (exemple non limitatif), que chimique, par l'utilisation de fluides viscoélastiques, qui possèdent la propriété de se comporter comme un solide en cas de contact rapide, et donc ne pas s'étaler.
A titre d'exemple non limitatif, l'élément filaire pourra avoir les caractéristiques suivantes :
- Réduction maximale de la longueur initiale d'un fil obtenue avec un échantillon de 8,4 mm de longueur, devenu 1,7 mm après enroulement, soit une réduction de longueur d'un facteur 80 /0. Ceci a été fait grâce à
une seule goutte d'huile silicone Rhodorsil 47V1000 de 167 microns de diamètre, enroulant 6,7mm en son sein, soit 40 fois sa taille (12,5 tours).
- Module d'Young de la fibre utilisée : 12 +/- 1 MPa.
- Rayon de la fibre : 2,3 +/- 0,2 microns.
- L'élément filaire est une fibre d'Elastollan.
L'échantillon d'Elastollan connu (sans goutte) a une extensibilité à la rupture de +530 /0, alors que le même échantillon associé à une goutte d'huile silicone (selon l'invention) a une extensibilité à la rupture de plus de 3000 /0.
Ce fil a été produit de la façon suivante :
Quelques granules de TPU Elastollan 1185A sont posées sur une plaque chauffante recouverte de papier aluminium, réglée sur 230 C. Quand le TPU fond, une partie est pincée et étirée aussi rapidement que possible par l'opérateur, créant ainsi plusieurs mètres de fibres microniques. Une partie semblant homogène est sélectionnée, et la fibre est enroulée à un bout autour du capteur FemtoTools FT-S1000 monté sur un positionneur linéaire SmarAct SLC-1730 et collé avec de la colle type Loctite ou SuperGlue sur une lamelle de verre à l'autre bout.
Une goutte d'huile silicone Rhodorsil 47V1000 pend de l'embout d'une seringue de 0.4mm de diamètre, et la fibre est brossée dans le sens de sa longueur afin de déposer une grande quantité de liquide.
Le temps typique de réaction dynamique du système est de l'ordre de 100 ms.
La figure 3 montre les variations de la force de tension en fonction de l'extension (Strain) du système. L'extension est définie comme (L-L0)/1-0.
On voit en Figure 3 la réponse mécanique du système de l'invention : la force de tension en fonction de l'extension (Strain) du système.
L'extension est définie comme (L-L0)/L0 où Lo est la longueur du système au départ lorsque beaucoup de fibre est enroulée dans la/les gouttes. En traits pointillés, la réponse du système montrant une super élasticité : la longueur est multipliée par 3,5 (déformation ou strain = 2,5) avant d'atteindre la zone où une raideur type ressort se fait ressentir. En traits pleins, on trace pour comparaison la réponse d'une fibre en l'absence de goutte liquide. Il n'y a alors aucune réserve de longueur et le système répond tout de suite comme un ressort. On voit ainsi que la fibre de l'invention (associée à une goutte) a une grande réserve d'extensibilité.
L'encart montre pour comparaison la réponse mécanique d'une fibre d'araignée. L'ensemble fil / goutte de l'invention présentant typiquement les mêmes propriétés mécaniques que le fil d'araignée, tout en permettant d'éviter les difficultés de la synthèse de la soie d'araignée et de la caractérisation des gouttes liquides naturelles, présentes sur le fil d'araignée.
Les figures 4A et 4B sont des photos montrant une goutte associée à un fil en PLA, respectivement à température ambiante et à 75 C.
Afin d'illustrer au mieux les résultats issus des figures 4A et 4B, le PLA
utilisé pour ces figures possède les caractéristiques suivantes :
Module d'Young du PLA : 5 GPa à température ambiante, 70 MPa à 75 C.
Température de transition vitreuse : 60 C.
Rayon du fil utilisé : 1,7 microns (même technique que pour le TPU, excepté que l'on utilise une buse métallique pour l'extrusion à la place de la simple plaque chauffante).
Taille de la goutte d'huile silicone 47V1000 : 217 microns de diamètre.
Nombre de tours réalisés : 2,5 tours (soit 8 fois la taille de la goutte).
Selon un autre aspect de l'invention, en référence aux figures 7 et 8, l'invention concerne un procédé permettant de munir la goute de liquide de moyens de protection contre les agressions extérieures, mécaniques ou autres.
Ledit procédé réalise une encapsulation de la goutte dans une enveloppe formée d'une multitude de grains, formé chacun d'un liquide différent de celui de la goutte, et de taille inférieure à 50 fois, de préférence 100 fois plus petite que la goutte. La multitude de grains recouvre la surface extérieure de la goutte, de préférence en totalité.
Plus précisément, les grains sont formés de colloïdes, de taille micrométrique, et sont par exemple en verre, polystyrène ou tout autre matériau comprenant les propriétés requises de mouillage, c'est-à-dire que l'énergie d'interaction entre les grains et la goutte doit être du même ordre de grandeur que l'énergie d'interaction entre les grains et le milieu extérieur.
On procède de la manière suivante (figure 7) :
Les grains 1 sont mélangés à un premier liquide, par exemple de l'huile, puis une goutte 2 formée du mélange est placée dans un second liquide 3, par exemple de l'eau.
Sur la figure 7, seuls quelques grains sont montrés pour des raisons de clarté, étant entendu que la totalité de la surface de la goutte est recouverte de grains.
La figure 8 est une photographie d'une goutte recouverte de grains, selon la figure 7.
La méthode d'encapsulation par grains est utilisée car elle a l'avantage de constituer une protection sans pour autant compromettre la nature liquide de la goutte. En effet, contrairement à une coque solide, les grains peuvent se déplacer et se réorganiser à la surface de la goutte. L'homme de l'art pourra se référer à la publication : Aussillous, Pascale, and David Quéré. "Liquid marbies." Nature 411,6840 (2001) 924-927.
Ainsi, des objets de taille semblable aux grains pourrait pénétrer à
l'intérieur de la goutte comme si celle-ci n'avait pas d'armure. Au contraire, les objets gros par rapport aux grains seront maintenus à une distance de sécurité.. Ceci permet de faire passer un fil à l'intérieur de la goutte et de conserver le système de treuil capillaire, tout en ayant une résistance aux chocs contre des surfaces.
Claims (10)
1. Dispositif comprenant un élément filaire et un moyen d'enroulement de ce dernier et associé audit élément filaire, caractérisé en ce que le moyen d'enroulement est apte à passer d'un premier état stable à un second état stable, ce changement d'état se faisant :
- soit naturellement, de façon que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement soit plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement, - soit par changement d'un paramètre dit d'environnement, de manière à
provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen, lors du passage du premier état au second état, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen.
- soit naturellement, de façon que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et l'environnement soit plus élevée que l'énergie d'interaction entre l'élément filaire et le moyen d'enroulement, - soit par changement d'un paramètre dit d'environnement, de manière à
provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen, lors du passage du premier état au second état, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ledit moyen.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément filaire possède un diamètre compris entre 0,1 micron et 1 cm et avantageusement possède un diamètre inférieur à 10 microns.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau constituant le moyen d'enroulement est de l'étain, de la cire, du silicone, de l'eau, ou tout liquide mouillant l'élément filaire.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément filaire est constitué de métaux, élastomères ou polymères tels que polyuréthane, caoutchouc synthétique, fibres de nylon, fibres de kevlar, fibres de carbone, acier à haute élasticité, fibres de verre, matériau plastique élastique, matériau super-élastique, ou tout matériau qui peut être obtenu en fibre fine.
5. Procédé de changement d'au moins une propriété mécanique d'un élément filaire, caractérisé en ce qu'on lui associe au moins un corps en matériau fluide, tel que liquide ou gaz, ou solide, et en ce que l'on change au moins une caractéristique du matériau dudit corps, et/ou un paramètre de l'environnement dans lequel est placé le moyen d'enroulement et l'élément filaire, de manière à provoquer l'enroulement de l'élément filaire dans ou autour dudit corps.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit paramètre d'environnement est la température, l'intensité ou le sens du champ électrique, l'intensité ou le sens du champ magnétique, ou une contrainte mécanique.
7. Procédé selon l'une des revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit corps est une goutte de liquide.
8. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit corps est une bulle de gaz.
9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'on munit la goutte de liquide de moyens de protection contre les agressions extérieures, mécaniques ou autres, en encapsulant la goutte dans une enveloppe formée d'une multitude de grains solides, et de taille inférieure à 50 fois, de préférence 100 fois plus petite que cette dernière, les grains recouvrant la surface extérieure de la goutte, de préférence en totalité.
10.Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, pour constituer un moteur, un activateur, un actuateur, un muscle artificiel, un dispositif destiné à déplacer deux objets ou ensemble reliés aux deux extrémités respectives dudit élément filaire, un ensemble de jonctions électriques ou électroniques de longueur variable, un ressort.
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