Que sont les nanofibres auto-cicatrisantes ?

Les nanofibres aux propriétés auto-cicatrisantes apparaissent comme des matériaux révolutionnaires pour de nouvelles avancées à la pointe de la nanotechnologie. Cet article passe en revue les nanofibres auto-cicatrisantes, leur contexte, leurs applications dans divers secteurs industriels et les récentes études pertinentes.

Crédit d’image : Kateryna Kon/Shutterstock.com

Arrière plan

Les scientifiques des matériaux travaillent depuis des décennies à l’amélioration de divers attributs des matériaux. La recherche et le développement constants ont produit des matériaux aux performances améliorées. Cependant, les matériaux se dégradent toujours avec le temps et subissent une fatigue opérationnelle, entraînant des nanofissures et finalement une défaillance.

La plupart des composites sont vulnérables aux microfissures qui sont très difficiles à détecter ou à réparer, ce qui réduit la fiabilité et raccourcit la durée de vie de ces matériaux. La solution à un tel problème réside dans les nanofibres auto-cicatrisantes.

Que sont les nanofibres auto-cicatrisantes ?

L’auto-réparation est une perspective relativement nouvelle pour les matériaux avancés et réactifs. Les nanomatériaux qui peuvent se guérir eux-mêmes, comme imiter la guérison d’organismes biologiques, sont connus sous le nom de nanomatériaux autocicatrisants.

Les nanofibres de ces matériaux réparent automatiquement et instantanément la zone endommagée. Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications dans les domaines scientifiques, notamment les industries de l’ingénierie, de l’armée, de la récupération d’énergie, de la dentisterie, de l’orthopédie, de la communication, de la construction, de l’aérospatiale et de l’automobile.

Comment sont fabriquées les nanofibres auto-cicatrisantes ?

L’électrofilage est un processus unique utilisé pour fabriquer des nanofibres à l’aide d’un champ électrostatique. Il est basé sur le principe de l’électrohydrodynamique.

Dans ce processus, les nanofibres sont produites en accélérant des jets de liquide qui ont des propriétés d’auto-guérison et sont soumis aux effets couplés d’un champ électrique dans des liquides visqueux tels que des masses fondues, des dispersions et des solutions. Ces jets de liquide passent par des processus d’allongement, d’évaporation et de solidification, après quoi les nanofibres peuvent être collectées.

Comparée à d’autres approches de traitement des nanofibres, cette technologie est non seulement facile à utiliser, mais également relativement peu coûteuse, grâce à sa capacité d’adaptation à la fabrication de nanofibres continues à partir d’une large gamme de polymères. Il existe plusieurs avantages associés à la fabrication de nanofibres à l’aide de cette technique, notamment la capacité de production de masse, la facilité de combinaison des matériaux, la fonctionnalisation des fibres et les propriétés accordables des fibres.

Les méthodes d’électrofilage ont connu un développement important au cours des deux dernières décennies, permettant un meilleur contrôle morphologique des nanofibres déposées et améliorant la production et la variété des fibres. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs modèles d’électrofilage dérivés ont été développés et brevetés, notamment l’électrosoufflage, l’électrofilage à jets multiples, l’électrofilage en champ proche, l’électrofilage par fusion, l’électrofilage à bulles, l’électrofilage coaxial et l’électrofilage sans aiguille.

Des études récentes

Dans une étude récente menée en 2021, les scientifiques ont pu concevoir un nouvel hydrogel composé de polyaniline (PANI), d’acide polyacrylique (PAA) et de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridin-1-yl)oxyl (TEMPO) oxydé nanofibrilles de cellulose (TOCNF). Ces scientifiques ont étudié diverses propriétés de ce nouveau composé, notamment la détection, l’auto-guérison, la conductivité et les propriétés mécaniques. Cet hydrogel présentait une conductivité électrique de 3,95 S m-1résistance à la traction de 74,98 et déformation à la rupture de 982%, ainsi que d’excellentes propriétés d’auto-guérison sans appliquer de stimulus.

Quelles sont les applications des nanofibres auto-cicatrisantes dans divers secteurs industriels ?

Les nanofibres auto-cicatrisantes ont plusieurs applications potentielles dans divers secteurs industriels, notamment l’espace, l’électronique, la défense, le textile (vêtements de protection) et la biomédecine.

Application spatiale :

L’espace est un endroit très hostile pour les matériaux de structure en raison de ses conditions environnementales. Les dommages matériels peuvent être causés par des rayonnements chimiques, mécaniques, thermiques et ultraviolets ou par des combinaisons de ces composants. De plus, les débris spatiaux dans les obits inférieurs sont également dangereux pour les satellites et les engins spatiaux et peuvent les endommager. Par conséquent, il est impératif de développer des systèmes d’auto-guérison qui minimisent les dommages avant qu’ils ne conduisent à des défaillances désastreuses.

Les scientifiques de la NASA ont développé un système de matériaux auto-cicatrisants qui peut minimiser l’hypervitesse ou les impacts balistiques tels que les micrométéoroïdes. Ce nanomatériau a la capacité de s’auto-réparer en quelques microsecondes sur une large plage de températures. Ce système a d’autres utilisations, telles que les revêtements de protection MMOD pour les avions, la protection pneumatique, la radioprotection et les réservoirs de carburant.

Candidature électronique :

Divers nanopolymères auto-cicatrisants ont été utilisés pour fabriquer des produits électroniques, tels que des supercondensateurs, des appareils portables intelligents, des batteries et des muscles artificiels. De nouveaux appareils électroniques similaires à la peau artificielle peuvent détecter l’humidité, la température et la pression. Cette peau artificielle auto-cicatrisante devrait être largement utilisée dans les appareils portables et la robotique douce, ce qui réduira considérablement les coûts, car ces appareils électroniques peuvent se guérir eux-mêmes.

Demande de défense :

Les nanopolymères renforcés de fibres auto-cicatrisantes ont diverses applications dans le secteur de la défense, y compris les véhicules terrestres, les structures tactiques, l’aviation (hélicoptères et drones) et l’armure (véhicules et équipements personnels). La réparabilité et la maintenabilité sont d’une importance primordiale dans l’industrie de la défense. En raison de leurs propriétés anti-balistiques, auto-cicatrisantes et légères, les nanocomposites auto-cicatrisants sont idéaux pour les applications de défense telles que la protection du corps du réservoir de carburant contre l’hypervitesse et les dommages balistiques.

La nanotechnologie a rendu possible des uniformes intelligents pour les soldats. Ces combinaisons auto-cicatrisantes sont fabriquées à partir d’une combinaison de nanostructures de microfibres et de macrofibres, qui offrent un bouclier contre les produits chimiques, les agents biologiques nocifs, les fragments de grenade et les balles.

Application biomédicale :

Récemment, dans le domaine biomédical, des hydrogels auto-cicatrisants ont été appliqués dans l’administration de médicaments, la culture cellulaire et l’ingénierie tissulaire. Les hydrogels biologiques auto-cicatrisants sont utilisés dans le traitement des lésions cérébrales en raison de leurs attributs physiques, chimiques et biologiques adoptifs.

Par exemple, les biohydrogels à base de collagène de type I sont connus pour leurs capacités d’auto-guérison, leur injectabilité, leur non-cytotoxicité et leur biocompatibilité, ce qui les rend idéaux pour la réparation des tissus nerveux. De plus, ces échafaudages de biohydrogel auto-cicatrisants sont d’une grande importance dans la neurorégénération.

Continuer la lecture : Applications agricoles des nanofibres.

Références et lectures complémentaires

Chaudhary, K. & Kandasubramanian, B. (2022). Nanofibres auto-cicatrisantes pour des applications d’ingénierie. Ingénierie et recherche chimique industrielle, 61(11), 3789-3816. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c04602

Jiao, Y., Lu, Y., Lu, K., Yue, Y., Xu, X., Xiao, H., …, et Han, J. (2021). Hydrogel conducteur à base de nanofibres de cellulose hautement extensible et auto-cicatrisant pour une application de détection de stress. Journal of Colloid and Interface Science, 597, 171-181. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.04.001

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