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C’est en 1726 que Sir Isaac Newton a raconté pour la première fois comment il était assis sous un pommier, se demandant pourquoi les fruits tombaient directement sur le sol. Le physicien a expliqué que ses méditations sous un arbre l’avaient amené à proposer la théorie de la gravité en 1687. Certains ont même un peu exagéré, en affirmant que l’idée lui était venue littéralement sous la forme d’une pomme, qu’il avait reçue sur la tête.

Une imprimante 3D utilisant les ondes sonores

Cependant, nous n’attendons pas souvent qu’une pomme tombe d’une branche pour la saisir. Nous la cueillons – c’est une tâche plus facile surtout lorsque l’objet est solide. Cependant, lorsque nous traitons des liquides et essayons de produire des gouttelettes, nous sommes toujours à la merci de la gravité. Par exemple, vous ne devez administrer que quelques gouttes ophtalmiques, à l’aide d’une pipette fournie avec un flacon acheté en magasin, puis vous devez placer avec précision cette goute en exploitant la gravité en votre faveur.

La machinerie actuelle utilisée pour injecter des liquides dans des capsules de pilules est également limitée par la gravité, tout comme le mécanisme à l’intérieur d’une imprimante qui crache de l’encre sur un papier ou même des buses qui distribuent les ingrédients liquéfiés. Cependant, si l’on pouvait défier la gravité, alors tout un champ de possibilités s’ouvrirait à nous – en particulier dans le domaine en plein essor de la fabrication additive, où la technologie est utilisée pour construire des objets une seule couche à la fois.

Des chercheurs de l’Université Harvard rapportent dans Science Advances qu’ils ont mis au point une nouvelle technique utilisant les ondes sonores pour contrôler l’impression des gouttelettes, quelle que soit la viscosité du liquide.

goutellettes-eauEn contrôlant la position de la buse, les gouttelettes éjectées peuvent être soigneusement déposées et structurées n’importe où. Dans cet exemple, les gouttes de miel sont modelées sur un substrat de verre. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Université Harvard)

D’où cette idée provient-elle ?

L’auteur principal de cette recherche, Daniele Foresti, physicien appliqué à Harvard, travaillait sur des recherches indépendantes dans son laboratoire, utilisant la lévitation acoustique pour suspendre des granulés de café, de l’eau et même des cure-dents, puis en imprimant ses documents il a été étonné par cette imprimante et a eu une idée comme  Isaac Newton. Il a pu mettre sa vision à l’épreuve quand il est devenu stagiaire post-doctoral au laboratoire dirigé par Jennifer Lewis, spécialiste des matériaux à Harvard et coauteur de l’étude, spécialisée en impression 3D.

Les imprimantes à jet d’encre classiques créent des images à l’aide de minuscules gouttelettes d’encre, mais le type d’encre utilisé doit pouvoir s’adapter à une viscosité précise – environ 10 fois plus visqueuse que l’eau – pour former des gouttelettes rapidement et se répandre rapidement avec l’aide de gravité sur un papier. Mais que faire si vous souhaitez avoir plus de contrôle sur des fluides plus épais, des chercheurs se sont posés la question, car parfois les biopolymères à base de sucre, sont aussi collants que du miel – ce qui est 25 000 fois plus visqueux que l’eau – et sont utilisés dans la fabrication de produits biopharmaceutiques.

Un appareil utilisant un outil appelé subWave 

Dans cet objectif, l’équipe a créé un outil appelé éjection sous-onde de voxels acoustophorétiques, ou subWave qui est constitué d’un minuscule appareil doté d’une chambre cylindrique, dans lequel un champ acoustique super-confiné crée une force de traction 100 fois supérieure à la gravité à la pointe d’une petite buse d’imprimante.

Le liquide descend le long de la buse et, au moment où il atteint la pointe, une gouttelette commence à se développer. Vous pouvez observer ce phénomène lorsque vous tournez légèrement votre robinet et que les gouttes s’épaississent avant de plonger vers le fond de l’évier. Au moment où la gouttelette atteint la taille désirée, des ondes sonores remplissent la chambre avec une intensité telle que la gouttelette est arrachée directement de la pointe de la tige, comme «une pomme sur un arbre». Comme vous pouvez le constater ci-dessous :

liquide-métal-goutte-empilementEn utilisant une subWAVE, les chercheurs ont créé une pile de gouttes de métal liquide. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Université Harvard)

«L’utilisation du rayonnement acoustique pour forcer la sortie d’une buse est nouvelle et très intéressante», explique Bruce Drinkwater, ingénieur en ultrasons à l’université de Bristol qui n’a pas participé à cette recherche. «Cela signifie que lorsque la goutte émerge, elle peut être extraite de la buse de manière contrôlée. C’est un peu comme une paire de mains invisibles qui façonnent et moulent la goutte à mesure qu’elle émerge. »

Annuler la gravité pour mieux contrôler les gouttelettes

Lorsque l’on se fie uniquement à la gravité, pour déplacer des gouttelettes à des emplacements précis, la viscosité ou l’écoulement du liquide complique les choses. Mais lorsque la gravité est annulée, la viscosité n’a plus d’importance. L’équipe a pu utiliser cette technologie pour «imprimer» des gouttes d’une large gamme de liquides, allant du métal liquide à la résine utilisée pour fabriquer de minuscules lentilles d’appareils photo au fluide des cellules-souches.

miel-sur-biscuit-oreoL’équipe a parsemé un biscuit avec des gouttes de miel. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Université Harvard)

Bien que les chercheurs croient que cette technologie pourrait être utilisée dans divers domaines, elle est particulièrement intéressante pour l’industrie pharmaceutique et le domaine en développement des produits biologiques, qui consiste à fournir aux patients des matériaux concentrés pour traiter des maladies. Comme le son ne pénètre pas facilement dans les liquides, le matériau cellulaire souvent très délicat pourrait être transféré en toute sécurité en utilisant cette nouvelle technique, explique Lewis.

La viscosité n’a plus d’importance

« Ce qui en fait une découverte très importante, c’est qu’elle est plus ou moins indépendante du liquide en cours d’impression, ce qui élargit la gamme de matériaux pouvant être imprimés », explique Drinkwater. Ils ont même imprimé des gouttelettes de miel sur un biscuit Oreo, alors pourquoi pas des gouttes de cellules-souches délicatement déposées pour créer des organes à la demande. Avec cette nouvelle technologie les possibilités sont illimitées.

Source : Smithsonian