Pour fabriquer des matériaux microstructurés 3D, par exemple pour des applications composites, les chercheurs de l'Empa utilisent depuis un an une méthode d’impression 3D dénommée « Direct Ink Writing » (DIW, cf. encadré). Pour ce faire, une masse visqueuse – l'encre de l'imprimante – est exprimée par la buse d’impression et déposée sur une surface, un peu à la manière d’une machine à pâtes. Les chercheurs de l’Empa, Gilberto Siqueira et Tania Zimmermann, du département de recherche appliquée sur le bois, ont réussi à développer avec Jennifer Lewis de la Harvard University et André Studart de l’ETH de Zurich une nouvelle encre écologique pour imprimante 3D à base de nanocristaux de cellulose (CNC).

Nanocristaux de cellulose en forme de bâtonnets d'environ 120 nanomètres de longueur et 6,5 nanomètres de diamètre sous le microscope. (photo : Empa)

Avec la lignine et l’hémicellulose, la cellulose est l'un des principaux composants du bois. Ce biopolymère se compose de longues chaînes de glucose organisées en structures ligneuses. À certains endroits, les fibrilles de cellulose présentent une structure ordonnée. « Les endroits qui présentent un ordre plus important apparaissent sous forme cristalline. Et ce sont exactement ces sections – que nous pouvons purifier avec de l'acide – dont nous avons besoin pour nos recherches », explique Siqueira. Le produit final : des nanocristaux de cellulose, des formations en forme de bâtonnets de 120 nanomètres de longueur et de 6,5 nanomètres de diamètre. Et c’est justement à partir de ces nanocristaux que les chercheurs ont voulu développer une nouvelle encre écologique 3D. Les encres classiques contiennent une proportion « biologique » plutôt faible avec un maximum de 2,5 pour cent de CNC. L'équipe de l'Empa a voulu augmenter cette quantité – et elle y est parvenue : les nouvelles encres contiennent une généreuse proportion de 20 pour cent de CNC.

« Le plus grand défi consistait à obtenir une consistance visqueuse élastique qui puisse aussi être exprimée par les buses de l’imprimante », commente Siqueira. L'encre doit être assez « dure » pour que le matériau imprimé conserve aussi sa forme avant de sécher ou de durcir et qu’il ne redevienne pas immédiatement fluide. Les premières mixtures de CNC étaient à base d'eau. Certes, cela fonctionne, mais nous livrait un matériau très friable. C'est pourquoi Siqueira & Co. ont développé une seconde formule à base de polymères – avec un avantage déterminant : après l'impression et le durcissement par irradiation aux rayons ultraviolets, les CNC s’étaient réticulés avec les composants de polymères, de sorte que le matériau composite présente une résistance mécanique nettement supérieure.

Ce qui a l’air si facile après coup a pourtant valu de nombreux maux de tête à l'équipe de l'Empa. Siquiera : « La grande majorité des polymères est hydrofuge ou hydrophobe, alors que la cellulose aime l’eau – elle est hydrophile. Par conséquent, ils ne sont pas de natures très compatibles. » C'est pourquoi les chercheurs ont dû commencer par modifier chimiquement la surface du CNC.

Après les premiers essais d’impression et l'analyse radiographique des microstructures, les chercheurs ont constaté que les CNC s'étaient presque parfaitement alignés dans l'objet imprimé dans le sens de l’impression. Ils en ont conclu que la force mécanique avec laquelle l'encre est exprimée par la buse de l'imprimante suffit pour les disposer ainsi. « Que l’on puisse déterminer l'alignement de nanocristaux est très intéressant, par exemple lorsqu’on veut imprimer quelque chose qui doit avoir une solidité spécifique dans une direction donnée », commente Siqueira.

Ces excellentes qualités mécaniques représentent un avantage déterminant par rapport à d’autres matériaux comme les fibres de carbone, également utilisées dans les encres DIW. Il faut ajouter à cela que la nouvelle encre développée dans les laboratoires de l’Empa se compose d'un matériau renouvelable, la cellulose. « La cellulose est le polymère naturel le plus présent sur la Terre », explique Siqueira. On la trouve non seulement dans les arbres, mais aussi dans d’autres plantes et même dans des bactéries. Les cristaux isolés à partir de différentes sources de cellulose se distinguent par leur morphologie et par leur taille, mais non dans leurs caractéristiques – ce qui pourrait être intéressant par exemple dans l'industrie automobile ou pour des emballages de tous types. « Cependant, il me semble que le champ d'application le plus important est celui de la biomédecine », commente Siqueira, « par exemple pour des implants ou des prothèses. » Ce chercheur de l’Empa est convaincu que, grâce à ses éminentes caractéristiques et à la possibilité de lui apporter des modifications chimiques et de l’orienter pendant l’impression, le matériau CNC permet de nombreuses applications très variées.

Ces possibilités sont actuellement étudiées à l’Empa. Un étudiant en doctorat se penche sur le développement du matériau et de la méthode d’impression pour d’autres applications. En outre, un étudiant en Master est chargé de développer d’autres encres à base biologique. « La recherche dans ce domaine ne fait que commencer », indique Gilberto Siqueira. « L'impression avec des biopolymères est réellement un sujet d’une actualité brûlante.»