Un liquide ordonné produira les textiles du futur

Imaginez un t-shirt plus résistant que l'acier, plus conducteur que le cuivre et aussi léger que la soie. Ce n'est plus de la science-fiction. La recherche sur les nouveaux matériaux explore des fibres inspirées de phénomènes physico-chimiques qui ont jadis donné naissance au Kevlar.

Aujourd'hui, le Kevlar demeure l'une des fibres les plus résistantes du marché : il est utilisé dans les gilets pare-balles, les casques et les ceintures de sécurité, et sa production industrielle atteint des milliers de tonnes par an. Sa fabrication repose sur un état de la matière particulier, ni solide ni liquide, mais intermédiaire : un cristal liquide . Ce même principe est aujourd'hui appliqué aux nanomatériaux capables de révolutionner les textiles techniques et l'électronique flexible.

Un verre d'eau posé sur une table semble immobile. Pourtant, à l'échelle moléculaire, ses particules sont en mouvement constant et entrent en collision dans toutes les directions. Cette « danse » perpétuelle, appelée mouvement brownien , est totalement aléatoire. Imaginons maintenant que, au lieu de petites molécules sphériques, on introduit dans l'eau de minuscules bâtonnets rigides en forme d'aiguilles. S'ils sont suffisamment petits, ils se déplaceront eux aussi librement : en rotation et en translation, sans direction privilégiée.

Mais si on en ajoute beaucoup plus, l'espace vient à manquer et chaque tige entre en collision avec les autres. Finalement, la seule façon pour elles de continuer à se déplacer sans se bloquer est de s'aligner spontanément. Elles ne deviennent pas un solide rigide, mais elles commencent à pointer, en moyenne, dans la même direction. Cet état intermédiaire, qui combine un ordre d'orientation et la liberté de mouvement, est un cristal liquide.

On peut facilement comparer cela à un lac rempli de troncs d'arbres. Lorsqu'ils sont peu nombreux, ils flottent et tournent sans coordination. Mais à mesure que le lac se remplit, les troncs finissent par s'assembler en faisceaux alignés pour s'y loger. Cet ordre ne découle pas de leur composition, mais d'une simple nécessité géométrique. Et cet ordre partiel peut être exploité technologiquement.

Figure 1. Du désordre à l'ordre : formation d'un cristal liquide. (a) Schéma conceptuel de bâtonnets rigides en suspension. À faible concentration, les particules sont orientées aléatoirement (état isotrope). Lorsque la concentration augmente, elles s'alignent spontanément, formant une phase cristal liquide avec une direction d'orientation moyenne (n), tout en conservant leur mobilité et en acquérant un ordre collectif. Image adaptée de la référence [1]. (b) Analogie macroscopique : des troncs d'arbres flottant sur un lac. Lorsqu'ils sont peu nombreux, ils flottent de manière désordonnée ; à mesure que la densité augmente, ils tendent à s'aligner afin d'occuper l'espace plus efficacement. Un phénomène similaire se produit dans les suspensions de bâtonnets rigides. Image générée par IA.

Les nanomatériaux peuvent-ils se comporter comme des tiges rigides ?

Dans de nombreux cas, la réponse est oui. En particulier, les nanotubes de carbone (NTC) , les nanotubes de nitrure de bore (NTNB) et les nanofils de silicium (NFS) partagent une caractéristique importante : leur forme allongée et unidimensionnelle (1D). Ils sont des milliers de fois plus fins qu’un cheveu et entre cent et un million de fois plus longs que larges.

Cette géométrie les rend idéaux pour se comporter comme des « tiges ». Les nanotubes de carbone, par exemple, peuvent être considérés comme des feuilles de carbone enroulées sur elles-mêmes, d'un diamètre de quelques nanomètres seulement (un millimètre divisé un million de fois). Individuellement, ils présentent des propriétés mécaniques et électriques extraordinaires : ils sont incroyablement résistants et d'excellents conducteurs d'électricité et de chaleur.

Le problème se pose lorsqu'on tente d'utiliser des milliards de ces nanoparticules pour fabriquer un matériau macroscopique. Mélangées sans contrôle, elles s'enchevêtrent comme une pelote de laine inextricable. Leurs propriétés individuelles ne sont pas automatiquement transférées au matériau final. C'est là que les cristaux liquides entrent en jeu. À des concentrations suffisamment élevées dans un solvant approprié, ces nanomatériaux allongés peuvent s'auto-organiser en une phase ordonnée. Il s'agit de l'étape cruciale entre l'échelle nanométrique et le monde visible.

Figure 2. Nanomatériaux unidimensionnels : les éléments constitutifs. Images de microscopie électronique à transmission de différents nanomatériaux allongés. (a) Nanotubes de carbone (NTC), de diamètre de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. (b) Nanotubes de nitrure de bore (NTNB), structurellement similaires aux NTC mais électriquement isolants et très résistants thermiquement. (c) Nanofils de silicium (NFS), matériaux semi-conducteurs présentant des applications potentielles en optoélectronique et en stockage d’énergie. Leur rapport d’aspect élevé en fait des candidats idéaux pour la formation de phases cristal-liquide. (a) et (c) : avec l’aimable autorisation d’IMDEA Materials ; (b) reproduit d’après la réf. [2].

Pourquoi toute cette complexité juste pour fabriquer des fibres ?

À l'échelle nanométrique, certains matériaux présentent des propriétés quasi extraordinaires. Un nanotube de carbone unique peut être plus résistant que l'acier à poids égal et conduire l'électricité mieux que de nombreux métaux. Les nanotubes de nitrure de bore se distinguent par leur stabilité thermique et leur résistance chimique. Les nanofils de silicium possèdent l'un des indices de réfraction les plus élevés parmi les matériaux connus.

En laboratoire, ces propriétés sont mesurées sur des nanomatériaux individuels quasi parfaits. En pratique, cependant, ces nanomatériaux sont généralement obtenus sous forme de poudres : des agrégats désordonnés où les nanotubes ou les nanofils sont enchevêtrés et orientés aléatoirement. Dans cet état désordonné, nombre de leurs propriétés exceptionnelles sont diluées par une faible compaction. C’est comme tenter de construire un édifice avec des briques sans orientation définie : la force ne peut se transmettre correctement.

L'essentiel n'est pas seulement de disposer de « briques » exceptionnelles, mais aussi de savoir les agencer. Si ces mêmes nanotubes ou nanofils sont utilisés comme éléments de base et compactés de manière alignée, le résultat change radicalement.

Lorsque toutes les fibres sont orientées dans la même direction, la charge mécanique est répartie uniformément, le courant électrique circule avec moins d'obstacles et la chaleur est transmise plus efficacement le long de l'axe de la fibre. La différence entre une poudre désordonnée et une fibre alignée n'est pas seulement structurelle : elle est fonctionnelle. C'est là que la phase cristal liquide devient essentielle. Au lieu de tenter d'ordonner les nanostructures une fois qu'elles sont déjà solides et désordonnées, les chercheurs exploitent leur capacité d'auto-organisation à l'état fluide.

À des concentrations appropriées, ces nanostructures s'organisent de manière pré-ordonnée, ce qui permet de fixer leur orientation lors du filage. Lorsque le fluide est injecté par une buse dans un bain de coagulation et se solidifie, des milliards de nanostructures restent alignées le long de l'axe de la fibre. Ainsi, leurs propriétés individuelles cessent d'être de simples curiosités de laboratoire et s'expriment dans un matériau macroscopique. Autrement dit, le défi n'est pas de fabriquer des nanomatériaux extraordinaires, ce qui est déjà possible, mais de transposer leurs propriétés de l'échelle nanométrique à l'échelle visible. Et le cristal liquide joue ce rôle de traducteur.

Figure 3. De la poudre à la fibre : traitement des cristaux liquides. (a) Nanotubes de carbone sous forme de poudre agrégée et désordonnée, dont les propriétés individuelles ne sont pas pleinement exploitées. Formation d’une phase cristal liquide après dispersion dans un solvant approprié. (b) Procédé de filage : le cristal liquide est injecté à l’aide d’une seringue dans un bain de coagulation, où l’orientation collective est préservée lors de la solidification. (c) Nœud d’une fibre dans lequel des milliards de nanostructures sont alignées le long de l’axe du fil, reproduit d’après la réf. [3]. (d) Fibre enroulée autour d’une tige, reproduit d’après la réf. [4].

Des applications allant de la vie quotidienne à l'espace

Le tournant décisif s'est produit au début de ce siècle. En 2000, le chercheur français Philippe Poulin a démontré que les nanotubes de carbone pouvaient se comporter comme des tiges rigides capables de former des phases de cristaux liquides et des fibres. Cette idée a permis la fabrication de la première fibre macroscopique à base de nanotubes alignés. Ces travaux ont ouvert un champ d'investigation entièrement nouveau : l'objectif n'était plus seulement de synthétiser des nanomatériaux extraordinaires, mais de les organiser collectivement afin que leurs propriétés puissent se manifester à grande échelle.

Pendant des années, les progrès sont restés essentiellement théoriques. Mais deux décennies plus tard, des entreprises commencent à émerger avec l'ambition de commercialiser cette architecture macromoléculaire. DexMat , par exemple, développe des fibres conductrices à base de nanotubes de carbone alignés. Leurs matériaux allient une extrême légèreté à une conductivité électrique et une résistance mécanique élevées, ce qui les rend particulièrement adaptés aux câbles ultralégers pour moteurs électriques et au blindage électromagnétique des structures aérospatiales.

Comme indiqué dans la section précédente, modifier l'élément constitutif d'une fibre permet d'en modifier la fonction finale. Dans le cas des nanotubes de carbone (NTC), l'accent est mis sur la résistance mécanique et la conductivité électrique. Cependant, cette approche peut être appliquée à d'autres nanomatériaux. Les nanotubes de nitrure de bore (NTNB), par exemple, sont électriquement isolants et d'excellents conducteurs thermiques. De plus, ils présentent une remarquable résistance aux rayonnements gamma, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les environnements spatiaux dépourvus d'atmosphère.

Les nanofils de silicium (SiNW) pourraient permettre de créer des fibres capables de fonctionner comme des dispositifs électroniques distribués au sein d'un textile : capteurs, systèmes de transmission de lumière efficaces, voire systèmes de stockage d'énergie intégrés. Imaginez des batteries flexibles tissées directement dans des vêtements techniques.

Figure 4. Fonction émergente : de la structure à l’application. (a) Exemple d’intégration de fibres conductrices de nanotubes de carbone (CNT) dans des systèmes électroniques avancés, où la légèreté et la conductivité sont essentielles. Image reproduite de la référence [5]. (b) Test thermique illustrant la résistance à la chaleur et la capacité de dissipation thermique des textiles à base de nanotubes de nitrure de bore (BNNT). Image reproduite de la référence [6].

Un ordre né du désordre

La physicochimie qui rend ces fibres possibles reste inchangée. Seul le matériau de base utilisé en phase cristal liquide avant le filage évolue. Si, au XXe siècle, cette avancée a permis la production de fibres comme le Kevlar, le XXIe siècle sera sans doute marqué par la conception de fibres fonctionnelles : non seulement résistantes, mais aussi conductrices d’électricité et de chaleur, magnétiques ou énergétiquement actives. Le défi demeure le même qu’il y a vingt ans : obtenir un alignement parfait, minimiser les défauts et augmenter la production sans altérer les propriétés qui confèrent à ces matériaux leur caractère exceptionnel à l’échelle nanométrique.

Paradoxalement, l'avenir du textile pourrait dépendre d'un état de la matière issu du chaos. Des molécules et des nanostructures en mouvement libre, qui, une fois une certaine concentration atteinte, découvrent que l'alignement est la meilleure façon de coexister. Cet équilibre subtil entre liberté et ordre, ni solide ni liquide, donnera naissance aux matériaux intelligents du XXIe siècle.

Au sein du groupe Nanocomposites multifonctionnels de l' Institut des matériaux IMDEA , nous sommes convaincus que la prochaine révolution textile ne proviendra pas de nouveaux polymères exotiques, mais de notre capacité à mieux organiser les procédés de fabrication que nous maîtrisons déjà. Car parfois, le secret réside non pas dans l'invention, mais dans l'agencement de l'existant.

Références

• [1] Paineau et al. « Une phase colonnaire hexagonale à cristaux liquides dans des suspensions très diluées de nanotubes d'imogolite. » Nature Communications 7.1 (2016): 10271.
• [2] Smith et al. « Nanotubes de nitrure de bore mono- et multi-parois très longs via la méthode de vapeur pressurisée/condenseur » Nanotechnology 20.50 (2009): 505604.
• [3] Vigolo et al. « Fibres et rubans macroscopiques de nanotubes de carbone orientés . » Science 290.5495 (2000) : 1331-1334.
• [4] Miaudet et al. Étirage à chaud de fibres de nanotubes de carbone à parois simples et multiples pour une ténacité et un alignement élevés. Nano letters 5.11 (2005) : 2212-2215.
• [5]  https://dexmat.com/
• [6]  https://www.bnnt.com/

https://materials.imdea.org/the-ordered-liquid-that-will-produce-the-textiles-of-the-future/

https://www.fundacionmuyinteresante.org/el-liquido-ordenado-que-producira-los-textiles-del-futuro.html