Cette étude associe la spectroscopie de photoluminescence in situ et la diffraction des rayons X au synchrotron à la lévitation acoustique afin de surveiller le décalage du pic induit par la polymérisation, reflétant les changements structuraux et chimiques, dans des nanocomposites photopolymères chargés d'alumine. L'évolution du décalage du pic durant la polymérisation par ultraviolet, comparant des conditions avec contact et sans contact, présentée ici, démontre une méthode utile pour le traitement des matériaux dans des conditions liées à la microgravité.
Article de recherche
Effets du durcissement sans contenant par caractérisation in situ avec lévitation acoustique pour améliorer la fabrication de nanocomposites en microgravité
Dans cet article
Résumé
Résumé
La lévitation acoustique offre une plateforme pertinente pour la microgravité afin d'étudier le comportement de durcissement des photopolymères chargés de nanoparticules dans un environnement sans contenant. Ceci est particulièrement pertinent pour la conception de méthodes de fabrication dans l'espace afin de soutenir l'exploration spatiale. L'objectif de ce travail est de démontrer une approche couplée de suivi in situ capable de capturer les changements structurels induits par le durcissement et de détecter les différences dans le développement des contraintes résiduelles entre des conditions aux limites de durcissement pertinentes pour la microgravité, notamment la présence ou l'absence de confinement par un contenant, durant le durcissement par ultraviolets (UV) d'un photopolymère chargé de nanoparticules. Dans cette étude, un système de lévitation acoustique a été intégré à un système de spectroscopie in situ basé sur des fibres optiques dans un premier montage, et à un système de diffraction des rayons X en synchrotron dans un second montage, afin de capturer les changements structurels et chimiques durant le durcissement UV de photopolymères chargés de nanoparticules, tout en surveillant la forme et la stabilité des billes de nanocomposite. Ces techniques ont permis d'obtenir des mesures quantitatives du décalage des pics induit par le durcissement, reflétant le développement des contraintes résiduelles, durant le processus de durcissement dans un environnement sans contenant et dans un environnement avec contact de surface, avec une haute résolution temporelle. Les résultats montrent que la condition avec contact induit des contraintes résiduelles plus élevées que la condition sans contenant tout au long du processus de durcissement, depuis le mélange liquide nanoparticules-polymère jusqu'au produit final durci. Cette différence met en évidence l'influence du confinement par les parois sur le durcissement, en lien avec le développement des contraintes lors des traitements terrestres. En comparant le durcissement avec et sans contact, cette approche de caractérisation terrestre fournit une méthode accessible pour étudier le comportement de durcissement pertinent pour la microgravité et soutient le développement de stratégies de traitement pour une fabrication fiable dans l'espace de nanocomposites polymères. Au-delà de ce système matériel, cette approche intégrée peut être appliquée à d'autres matériaux pour la fabrication dans des conditions pertinentes pour la microgravité.
Introduction
Les missions spatiales de longue durée et les bases lunaires constituent la prochaine étape de l'exploration spatiale1,2,3. Ces missions doivent privilégier une base durable et fiable, offrant un environnement de vie sûr et habitable pour les astronautes. La création d'infrastructures est nécessaire afin de faciliter les futures expéditions visant à faire progresser les connaissances fondamentales en sciences planétaires, en sciences de la vie, en sciences physiques et dans d'autres domaines4. Toutefois, la mise en place de systèmes matériels fonctionnels et durables dans l'espace exige des ressources permettant de fournir les matériaux et procédés nécessaires à la fabrication. La capacité de fabriquer directement sur le site d'exploration planétaire réduirait considérablement les besoins en charge utile, ce qui impose une meilleure compréhension de l'effet de l'environnement spatial sur les propriétés des matériaux fabriqués.
Le concept de fabrication dans l'espace et d'exploitation de l'environnement spatial unique pour créer des matériaux et des produits possédant des propriétés inaccessibles dans un environnement terrestre a été introduit il y a plus de cinq décennies5. La fabrication en orbite soutient une approche efficace en termes de coût et de masse pour atteindre des objectifs d'exploration, tout en offrant l'accès à des environnements permettant l'étude de matériaux fonctionnels améliorés par les procédés. Les nanocomposites polymères, en particulier, suscitent un intérêt particulier en raison de leur résilience dans les environnements spatiaux extrêmes. Caractérisés par leurs propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques robustes lorsqu'ils sont fabriqués dans des conditions terrestres, ils constituent d'excellents candidats comme matériaux fonctionnels pour des applications spatiales6. Les nanocomposites polymères contenant des nanoparticules de bore ou de lithium possèdent des capacités de protection contre les radiations et les agressions environnementales7. Les condensateurs à base de nanocomposites polymères offrent un stockage d'énergie à haute densité pour l'alimentation spatiale ou des propriétés de changement de phase destinées à la protection thermique des engins spatiaux8,9. Ces additifs nanoparticulaires dans le mélange de nanocomposite peuvent modifier la réponse aux contraintes internes et l'évolution microstructurale durant le durcissement10. Toutefois, la capture in situ de cette évolution des contraintes exige un système de particules possédant des signatures optiques ou spectrales bien établies. L'alumine a donc été choisie comme système modèle de particules en raison de sa capacité bien documentée à détecter les contraintes par des techniques optiques et de diffraction. En particulier, l'alumine peut être analysée par spectroscopie de photoluminescence (PL) et diffraction des rayons X en rayonnement synchrotron (XRD), deux méthodes utilisées dans cette étude pour évaluer les modifications spectrales reflétant les contraintes induites par le durcissement dans les nanocomposites photopolymères.
La piézospectroscopie repose sur la réponse de photoluminescence dépendante des contraintes mécaniques de matériaux tels que l'alumine α dopée au chrome. Lorsque l'alumine est excitée par un laser, les ions chrome Cr3+ présents dans la structure cristalline de l'alumine émettent des pics caractéristiques de luminescence. Appelés raies R, ils apparaissent sous forme de deux pics étroits et proches l'un de l'autre, couramment désignés R1 et R2 (Figure 1D).
Figure 1. Dispositif expérimental PL et principe de mesure pour un durcissement avec contact et sans contact. (A) Condition avec contact, la résine étant placée dans un moule sous irradiation UV pour le durcissement et la collecte de la photoluminescence. (B) Condition sans contact, la goutte de résine étant suspendue dans un champ de lévitation acoustique pendant l'irradiation UV pour le durcissement et la collecte de la photoluminescence. (C) La photopolymérisation solidifie la résine autour des particules d'alumine et génère une contrainte compressive locale. (D) La contrainte compressive transmise décale le pic de photoluminescence de l'alumine par rapport à sa position initiale sans contrainte. Veuillez cliquer ici pour consulter une version agrandie de cette figure.
Les ions Cr3+ se substituent aux ions aluminium dans la structure cristalline trigonale de l’α-alumine, rendant la réponse de luminescence sensible aux variations de l'état de contrainte local11. Sous une contrainte appliquée ou résiduelle, les positions des pics R se déplacent par rapport à leurs positions sans contrainte. Ce déplacement dépendant de la contrainte est appelé effet piézospectroscopique et fournit une méthode directe pour relier les décalages de pics mesurés à la contrainte locale autour des particules d'alumine.
La diffraction des rayons X en synchrotron fournit une méthode complémentaire pour évaluer les contraintes et déformations résiduelles dans les matériaux contenant de l'alumine. La DRX a été largement utilisée pour étudier les contraintes résiduelles dans les céramiques à base d'alumine12,13,14 et permet des mesures non destructives des variations d'espacement réticulaire dans les matériaux cristallins15. Dans cette étude, la réponse de diffraction des particules d'alumine a été utilisée pour suivre les variations d'espacement réticulaire pendant le durcissement. Ces variations d'espacement réticulaire peuvent être reliées à la déformation et, avec des constantes élastiques appropriées, à la contrainte.
Après avoir établi l'alumine comme système modèle, le choix d'associer deux techniques de caractérisation indépendantes nécessite une explication. La photoluminescence (PL) et la diffraction des rayons X (XRD) fournissent toutes deux des informations indépendantes sur les contraintes et les déformations dans les systèmes contenant de l'alumine, mais la combinaison de ces deux techniques dans cette étude offre des avantages qui ne peuvent être obtenus par l'une ou l'autre méthode prise isolément. La PL permet de surveiller la réponse de luminescence optique de l'alumine au niveau des particules avec une haute résolution temporelle, ce qui la rend particulièrement adaptée pour suivre l'évolution rapide des contraintes durant les premières phases du durcissement sous UV. La XRD apporte une validation cristallographique des résultats de PL en sondant indépendamment le même état de contrainte sous-jacent, par le biais de variations de l'espacement réticulaire de l'alumine. Étant donné que les deux mesures sont effectuées sur le même système matériel et dans les mêmes conditions de durcissement sans contact ni contenant, l'accord entre les deux jeux de données renforce davantage la confiance dans les tendances observées de décalage des pics comme indicateurs de contraintes résiduelles. La combinaison de ces deux techniques fournit une image plus complète et plus fiable du développement des contraintes induites par le durcissement dans les nanocomposites photopolymères chargés d'alumine que ce que pourrait offrir chacune des méthodes séparément.
De plus, d'un point de vue pratique, la DRX utilisant un synchrotron nécessite une infrastructure de grande envergure indisponible dans un environnement spatial, et n'est donc pas adaptée au suivi in situ pendant les opérations réelles de fabrication dans l'espace. En revanche, la PL est une technique compacte, portable et utilisable sur le terrain, qui pourrait être réellement employée lors de futures missions spatiales de longue durée. Ce travail constitue une validation des mesures de PL par rapport aux résultats de DRX au synchrotron dans cette étude terrestre, et établit la fiabilité de la PL en tant qu'outil autonome de surveillance des contraintes, pouvant devenir la méthode principale de caractérisation lorsque la DRX n'est pas accessible, comme c'est le cas lors d'opérations de fabrication à bord d'un vaisseau spatial ou d'un poste planétaire.
Ces techniques permettent de détecter l'évolution des contraintes pendant le durcissement ; toutefois, les variations des propriétés et des performances des nanocomposites fabriqués dans des conditions de microgravité ne sont pas encore entièrement caractérisées. Il est fondamental de comprendre comment les conditions spatiales modifient le durcissement des nanocomposites polymères, car cela affecte directement les changements de propriétés ou de performances par rapport aux nanocomposites durcis dans les conditions ambiantes terrestres. L'étude de ce phénomène fournit des informations essentielles pour la conception de matériaux structuraux et fonctionnels par fabrication dans l'espace16,17,18,19,20,21.
Il est clair que la fabrication dans l'espace et celle réalisée sur Terre diffèrent par leurs conditions environnementales. Cela justifie la nécessité d'un dispositif terrestre spécial, unique, fiable et accessible, capable de simuler les conditions spatiales afin de concevoir et valider les propriétés et performances des matériaux fabriqués dans l'espace. Les conditions nécessaires pour reproduire l'environnement spatial comprennent les cycles thermiques, le vide, le rayonnement et la microgravité. Ces facteurs influencent la dynamique de polymérisation, l'évolution de la microstructure, ainsi que l'adhérence et la dispersion des nanoparticules. Comprendre ces effets permettra de progresser et de développer une fabrication fiable dans l'espace, améliorant ainsi la sécurité et la durée des missions spatiales, tout en offrant les conditions de traitement appropriées pour créer de nouvelles fonctionnalités matérielles.
La lévitation acoustique est une méthode d'essai pratique en laboratoire utilisée pour simuler un traitement en microgravité en permettant un environnement sans contenant. Elle n'est pas équivalente à la microgravité. L'objet en lévitation est maintenu par une force de radiation acoustique non uniforme qui s'oppose à la gravité, plutôt que de se trouver dans un environnement réellement à gravité réduite. Toutefois, elle supprime la contrainte mécanique imposée par un moule ou une paroi de contenant, qui constitue la condition spécifique d'intérêt pour cette étude. Cette technique est couramment utilisée dans les domaines des sciences des matériaux, de la chimie, de la biologie, du génie biologique et d'autres disciplines scientifiques16,22,23,24,25,26,27. La lévitation acoustique génère une pression de radiation acoustique produite par des ondes sonores, permettant ainsi à un objet de rester suspendu en l'air23 et d'offrir un environnement sans contenant dans lequel étudier la dynamique de polymérisation sans contrainte mécanique induite par un contenant. La haute résolution temporelle offerte à la fois par la spectroscopie et la diffraction des rayons X en synchrotron en fait des techniques idéales pour étudier les durées relativement courtes associées au processus de polymérisation par photoréaction. Ce travail revêt une importance particulière en lien avec la microgravité, car il aborde un défi fondamental lié au traitement des matériaux pour la fabrication dans l'espace : la manière dont l'absence de contenant, une condition intrinsèque à la microgravité, modifie l'état de contrainte résiduelle d'un nanocomposite en cours de polymérisation. La condition sans contenant étudiée ici sert d'analogue terrestre au traitement en microgravité, et la comparaison quantitative des variations spectrales reflétant l'évolution des contraintes entre un polymère polymérisé avec contact et sans contenant fournit un aperçu direct de la manière dont les propriétés du matériau peuvent différer lorsque le même système de nanocomposite est fabriqué dans l'espace par rapport à la Terre. Cet article détaille les méthodes combinant la lévitation acoustique avec une spectroscopie in situ puissante et une caractérisation par diffraction des rayons X afin de révéler les effets du traitement sans contenant sur la polymérisation d'un système polymère-nanoparticules composé de nanoparticules d'alumine et d'un photopolymère.
La lévitation acoustique a déjà été associée à des techniques de ligne de faisceau, notamment la diffraction de rayons X à dispersion d'énergie pour suivre la cristallisation dans des gouttelettes lévitées28, la SAXS de synchrotron de solutions concentrées de protéines29, et comme plateforme de livraison d'échantillons pour la cristallographie macromoléculaire aux rayons X à température ambiante30,31. Toutefois, ces études se sont concentrées sur la cristallisation, la caractérisation structurale ou la livraison d'échantillons, plutôt que sur l'évolution résolue en temps de la contrainte réticulaire induite par le durcissement durant la polymérisation. À la connaissance des auteurs, cette étude est la première à combiner la lévitation acoustique avec une diffraction synchrotron de rayons X in situ résolue en temps afin de suivre l'évolution de la contrainte réticulaire durant une réaction de photopolymérisation active, accompagnée d'une condition comparable avec contact direct afin d'isoler l'effet de la contrainte exercée par la paroi du récipient sur les contraintes résiduelles induites par le durcissement.
En raison du rôle mécanique de la contrainte exercée par la paroi du récipient, qui limite la rétraction volumétrique pendant le durcissement, on émet l'hypothèse que la présence ou l'absence de cette contrainte entraînera des états de contrainte résiduelle mesurablement différents dans le nanocomposite durci. La condition avec contact est censée engendrer une contrainte résiduelle plus élevée et plus confinée que la condition sans récipient, où l'échantillon peut se rétracter plus librement en l'absence de frontière solide.
Protocole
Sélection des matériaux
La nanopoudre d'α-alumine a été utilisée comme charge céramique. Selon les spécifications du fabricant, la poudre présente une taille de grain d’environ 40 nm, déterminée par élargissement des raies aux rayons X, une taille moyenne de particule (TMP) de 150 nm, déterminée par la surface spécifique BET et la MEB, ainsi qu'une surface spécifique BET multipoint d’environ 10 m2/g. D'après des études antérieures sur la dispersion des particules dans des systèmes photopolymères et époxy chargés32, de faibles teneurs en alumine (par exemple, 5 % en volume) produisaient une réponse photoluminescente faible et une mauvaise dispersion des particules, les rendant inadaptées à la détection optomécanique des contraintes, tandis que des teneurs plus élevées (par exemple, 20 % en volume) entraînaient une augmentation significative de la viscosité, rendant le mélange difficile à injecter et à homogénéiser uniformément, malgré un signal plus intense. Une concentration de 15 % en volume d’alumine a donc été choisie comme compromis entre la facilité de fabrication, les performances de détection et la qualité de dispersion.
Dispositif expérimental
Configuration du système piézospectroscopique portable (PPS)
Les expériences de PL ont utilisé un système portable de piézospectroscopie (PPS) précédemment mis au point, composé d'une sonde Raman InPhotonics Inc. RPB, une sonde compacte à fibre optique bidirectionnelle dotée d'un miroir dichroïque et d'un objectif personnalisé de focale f/3.33,34L'ensemble du système PPS comprend des composants matériels et logiciels. Le matériel est constitué d'un spectrographe, d'un dispositif à transfert de charge (CCD), d'un laser, d'éléments d'optique en fibre et d'un ordinateur.33,34Pour le logiciel, deux programmes principaux sont utilisés : MATLAB et LightField. Les programmes basés sur MATLAB servent principalement au post-traitement des données, tandis que LightField est utilisé pour recueillir les données du CCD. Figure 1 montre l'ensemble du dispositif expérimental pour les deux conditions de durcissement, ainsi que le principe de mesure sous-jacent, en illustrant les configurations avec contact (moule) et sans contact (lévitation acoustique)Figure 1A et Figure 1B), la contrainte de compression générée dans les particules d'alumine lors de la solidification de la résine (Figure 1C), et le décalage correspondant du pic de photoluminescence utilisé comme indicateur de cette contrainte (Figure 1D). Dans la configuration du contenant, l'outillage de moulage a été positionné à l'endroit correspondant au centre du champ de lévitation acoustique afin de maintenir une géométrie constante entre les deux configurations. L'unité de LED UV (longueur d'onde de 405 nm, puissance nominale de 10 W, boîtier de classe IP66) a été placée à une distance de 6 cm de l'échantillon, et la sonde en fibre optique a été orientée vers l'échantillon afin d'acquérir en continu le signal de photoluminescence pendant le durcissement. La LED UV a été positionnée de manière à éviter une illumination directe de la sonde en fibre optique, prévenant ainsi tout dommage à la fibre. Les pics de photoluminescence de l'alumine ont été enregistrés en fonction du temps durant le durcissement UV, et les décalages de pics ont été surveillés comme indiqué dans Figure 1D. Pendant la photopolymérisation, la résine durcit autour des particules d'alumine intégrées et subit un retrait de polymérisation, générant une contrainte compressive locale qui est transmise aux particules d'alumine (Figure 1C), ce qui provoque un décalage du pic de photoluminescence par rapport à sa position initiale sans contrainte. Les positions des pics ont ensuite été extraites à partir de LightField, et le décalage des pics a été calculé sous MATLAB en comparant chaque position de pic à la position initiale avant l'exposition aux UV.
Configuration de la diffraction des rayons X au synchrotron
Des mesures de diffraction des rayons X en synchrotron (DRX) ont été effectuées in situ pendant le processus de durcissement sur la ligne de faisceau 6-ID-D de l'Advanced Photon Source au Argonne National Laboratory, États-Unis. Figure 2 présente le dispositif de DRX en synchrotron pour les conditions avec contact et sans contenant, ainsi que le principe de mesure montrant comment les contraintes induites par le durcissement modifient l'espacement des plans réticulaires de l'alumine, produisant un décalage de pic détectable (Figure 2A–C).
Figure 2. Dispositif de diffraction des rayons X en synchrotron et principe de mesure pour un durcissement en contact et sans contact. (A) Condition avec contact, où la résine est placée dans un moule pendant le durcissement UV et l'acquisition des données XRD. (B) Condition sans contact, où la goutte de résine est suspendue dans un champ de lévitation acoustique pendant le durcissement UV et l'acquisition des données XRD. (C) Les contraintes induites par le durcissement modifient l'espacement réticulaire de l'alumine, provoquant un décalage du pic de diffraction XRD qui permet de calculer la déformation pendant la solidification. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
L'échantillon a été irradié avec un faisceau parallèle de photons de 90,5 keV (correspondant à une longueur d'onde de λ = 0,137 ˚A) d'environ 0,5 × 0,5 mm, positionné approximativement au centre de l'échantillon, comme illustré dans la Figure 2A,B. La distance entre l'échantillon et le détecteur a été fixée à environ 1,5 m afin de capter les pics d'alumine d'intérêt. Des motifs de diffraction en forme d'anneaux ont été enregistrés sur un détecteur en panneau plat Varex XRD 4343RF (matrice de 2880 × 2880 pixels, pas de pixel de 150 µm) capable d'imagerie en temps réel à haute vitesse allant jusqu'à 15 images par seconde. Les données ont été collectées pendant un temps total d'acquisition de 600 s par expérience.
Comme avec le dispositif PPS, les mesures ont été effectuées dans des conditions avec contact et sans contact (Figure 2A,B). La LED UV était placée à 6 cm de l'échantillon, conformément à la configuration PPS, et le moule et l'échantillon lévité ont été positionnés au même emplacement de mesure afin de préserver la cohérence géométrique. L'ensemble du dispositif a été monté sur une table linéaire afin d'assurer l'alignement, selon les besoins, soit de l'échantillon en contact, soit de la billette lévité, avec la ligne de faisceau. Les décalages des pics de DRX ont ensuite été surveillés en fonction du temps pendant tout le processus de polymérisation UV (Figure 2C), car les contraintes induites par la polymérisation, transmises aux particules d'alumine intégrées, produisent un changement mesurable de l'espacement réticulaire.
Préparation de l'échantillon
La poudre d'alumine a été mélangée à 15 % en volume avec de la résine liquide dans un bécher ou récipient de mélange, puis agitée à l'aide d'une tige d'agitation afin de favoriser une dispersion homogène des particules d'alumine, comme illustré dans Figure 3A.
Figure 3. Flux opératoire de préparation des échantillons, de distribution et de mesure in situ. (A) Une poudre d'alumine et une résine liquide sont mélangées pour préparer une suspension homogène de nanocomposite. (B) La suspension préparée est distribuée soit dans le champ de lévitation acoustique afin de former une goutte sans contact, soit dans un moule en silicone pour la condition avec contact. (C) Des mesures de photoluminescence (PL) et de diffraction des rayons X à synchrotron (XRD) sont effectuées dans les deux conditions de polymérisation (avec et sans contact) afin de comparer les variations spectrales reflétant les contraintes résiduelles et l'évolution structurale. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
La formulation de la suspension nanocomposite a été maintenue sous agitation magnétique tout au long de l'expérience afin de garder les particules d'alumine bien dispersées. Une fois dispersée, la suspension a été chargée dans une seringue de distribution en prévision de l'administration de l'échantillon, comme illustré dans la Figure 3A. Avant chaque expérience, la suspension préparée était chargée dans une seringue pour être dispensée soit dans le champ de lévitation acoustique, soit dans le moule en silicone.
Distribution d'échantillons et lévitation contrôlée
Pour la condition de lévitation acoustique (sans contenant), la région du nœud acoustique a été localisée avant la distribution. La seringue chargée a été maintenue à environ 45° par rapport au plan du sol (Figure 3B), et la suspension a été lentement injectée dans le léviteur jusqu'à l'obtention d'une forme de goutte elliptique stable dans le champ acoustique, avec un volume initial de goutte distribuée d'environ 5–7 µL, ajusté selon les besoins en fonction des conditions du champ acoustique nécessaires pour maintenir une goutte stable. Après une injection réussie, l'amplitude dans le logiciel de lévitation a été ajustée afin de stabiliser la goutte.
Deux configurations différentes de lévitateurs acoustiques, uniaxiaux et biaxiaux, provenant du même fabricant, ont été utilisées selon la modalité de mesure. Les deux configurations fonctionnaient à une fréquence de résonance automatiquement calibrée d’environ 22 400 à 22 450 Hz dès l’activation, la fréquence de fonctionnement étant fixée par le calibrage automatique de l’appareil et non réglée manuellement. Pour les expériences de diffraction des rayons X en synchronotron au laboratoire national d’Argonne (ANL), une configuration uniaxiale a été utilisée, composée d’un seul transducteur ultrasonore placé au-dessus d’un réflecteur, l’espacement entre le transducteur et le réflecteur étant fixé conformément au réglage standard du fabricant. Pour les expériences PPS, une configuration biaxiale a été utilisée, composée de deux transducteurs ultrasonores opposés (supérieur et inférieur), l’espacement entre les transducteurs étant également fixé selon le réglage standard du fabricant.
Dans les deux configurations, la position du nœud acoustique et celle de l'échantillon dans le champ ont été maintenues constantes entre les échantillons répétés au sein d'une même session : la position du premier échantillon déposé a été définie à l'aide du guide laser d'alignement, et les échantillons suivants ont été déposés à cette même position de référence, de sorte que le faisceau et la mise au point de la sonde n'aient pas à être réajustés pour chaque nouvel échantillon.
Pour le système à axe unique de DRX, l'amplitude a été augmentée jusqu'à ce que le ton acoustique émis par le léviteur devienne audible, moment auquel la suspension a été injectée à l'aide d'une seringue dans le nœud. L'amplitude a ensuite été ajustée afin d'assurer une lévitation stable.
Pour le système dual axe PPS, les amplitudes des transducteurs supérieur et inférieur ont été ajustées indépendamment à l’aide du logiciel jusqu’à ce que la perle soit piégée de manière stable, et n’ont pas été réajustées activement pendant le reste d’un cycle de polymérisation donné.
Dans les deux configurations, la condition de lévitation était considérée comme acceptable lorsque le mouvement de la perle autour du nœud ne sortait pas l'échantillon du foyer du faisceau de mesure : pour la DRC, la perle devait rester alignée à l'intérieur de l'empreinte du faisceau X d'environ 500 µm au point de mesure (voir Configuration de la Diffraction des Rayons X en Synchrotron) ; pour le SPP, la perle devait rester à l'intérieur du point focal de la sonde à fibre optique, ce qui était confirmé par la détection continue d'un pic net et bien défini de photoluminescence de l'alumine sur le logiciel d'acquisition en temps réel.
Pour la condition de contact (moule en silicone), la suspension a été dispensée directement dans le moule à l’aide de la seringue chargée, comme illustré également dans la Figure 3B. La cavité du moule mesurait 3 × 3 × 2 mm, et la suspension a été dispensée de manière à remplir complètement le volume du moule (~10,5 μL). L’excès de suspension a été retiré de la surface du moule, puis le moule a été recouvert d’une lame de verre. Des expériences de PL et de XRD ont ensuite été réalisées pour les conditions sans contenant et en contact, telles que montrées dans la Figure 3C. Chaque expérience a été répétée afin d’assurer la comparabilité et la reproductibilité.
In situ collecte de données
Spectroscopie de photoluminescence
Une fois l'échantillon placé dans le champ de lévitation acoustique ou dans le moule, le laser a été activé ; des lunettes de protection ont été portées pendant toutes les opérations au laser. Le point focal a été optimisé à l’aide du logiciel LightField afin d’identifier le signal le plus intense, confirmé visuellement comme étant le point laser le plus petit et le plus brillant sur l’échantillon. La collecte des pics de photoluminescence de l'alumine a commencé avant l'exposition aux UV, avec des pics acquis toutes les 0,5 seconde. Après 5 secondes de collecte de la ligne de base pré-UV, la LED UV a été activée, et la collecte des données a continué pendant 5 minutes afin de garantir une polymérisation complète de l'échantillon. À l’issue de la polymérisation, la LED UV a été éteinte. Dans le cas de la condition sans contenant, la goutte polymérisée a été récupérée dans un récipient ; dans le cas de la condition avec contact, l’échantillon polymérisé a été retiré du moule en silicone à l’aide de pinces. Tout contact direct avec les échantillons a été évité tout au long de la procédure afin de prévenir toute contamination et toute irritation cutanée.
Diffraction des rayons X au synchrotron
Après le positionnement de l'échantillon, le faisceau de rayons X a été aligné avec le centre de l'échantillon : le centre de la perle en lévitation pour la condition sans contact et le centre de l'échantillon à l'intérieur du moule pour la condition avec contact. La cabine expérimentale a été fermée avant l'activation du faisceau de rayons X. Le faisceau de rayons X et la LED UV ont été allumés simultanément, et les données de diffraction ont été collectées tout au long du durcissement UV. La collecte des données s'est poursuivie jusqu'à ce que l'échantillon soit entièrement durci ; dans cette étude, les données ont été enregistrées pendant 10 min afin de capturer toute la plage d'intérêt. Après le durcissement, la LED UV et le faisceau de rayons X ont été éteints, puis les échantillons ont été récupérés comme décrit pour le montage de spectroscopie, en évitant tout contact direct afin de prévenir toute contamination et irritation cutanée.
Analyse des données
Méthode d'ajustement des pics de photoluminescence
Des spectres bruts de photoluminescence contenant les pics R1 et R2 de l'alumine (Figure 4A) ont été extraits du jeu de données complet de polymérisation et importés dans MATLAB pour un post-traitement.
Figure 4. Flux de travail pour l'analyse des données des mesures de PL et de DRX au synchrotron. (A) Les spectres de PL sont traités par soustraction du fond et ajustement selon un profil pseudo-Voigt des pics R1 et R2 de l'alumine afin d'extraire les positions des pics pendant le durcissement. (B) Les anneaux de diffraction de la DRX au synchrotron sont transformés et intégrés en un profil de diffraction unidimensionnel, suivi d'un ajustement pseudo-Voigt du pic (116) de l'alumine pour extraire la position du pic et calculer la déformation induite par le durcissement. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Le bruit de fond a été éliminé de chaque spectre, et la ligne de base inclinée a été corrigée afin de s'aligner approximativement sur l'axe des abscisses. Un ajustement de type pseudo-Voigt a été appliqué aux pics de photoluminescence de l'alumine afin d'ajuster précisément les pics R1 et R235. Les pics ont été ajustés à l'aide d'un algorithme d'optimisation non linéaire avec contraintes (fmincon) selon une fonction pseudo-Voigt, en utilisant quatre paramètres libres par pic (R1 et R2) : la surface, la position centrale, la largeur à mi-hauteur (FWHM) et un facteur de forme (0 = gaussien pur, 1 = lorentzien pur). Un fond linéaire, ajusté à l'intensité brute à 14300 et 14500 cm⁻1, a été soustrait de chaque spectre avant l'ajustement. Les estimations initiales des paramètres ont été déterminées directement à partir de chaque spectre lissé et corrigé du fond, et les bornes d'ajustement ont été fixées comme une plage en pourcentage autour de chaque estimation initiale (surface : 50–150 % ; FWHM : 60–180 %). La qualité de l'ajustement a été évaluée à l'aide de l'erreur quadratique moyenne normalisée (NRMSE). Les positions des pics ajustés ont été extraites à chaque instant pendant tout le processus de polymérisation, et les décalages de pics ont été calculés en comparant chaque position ajustée à la valeur initiale préalable à l'exposition aux UV.
Méthode d'ajustement des pics XRD
Des images de diffraction bidimensionnelles ont été importées dans un logiciel de traitement de diffraction RX ou dans MATLAB pour analyse. Les données de diffraction RX peuvent être analysées afin d'obtenir des informations sur la déformation du matériau36,37,38. Les anneaux de diffraction provenant des particules d'alumine ont été identifiés (Figure 4B) et l'anneau correspondant au pic (116) de l'alumine a été sélectionné en fonction de sa netteté, afin de suivre les variations de l'espacement réticulaire. L'identification directe des anneaux sur l'image de diffraction 2D à ce stade a servi de contrôle qualitatif de la qualité des données avant l'intégration, confirmant la présence d'anneaux complets et continus (indiquant une illumination uniforme de l'échantillon et l'absence de masquage du faisceau), un alignement correct du détecteur et une position centrale adéquate, ainsi que l'absence de diffusion parasite ou d'artéfacts pouvant altérer le profil intégré. Une fois la qualité des anneaux confirmée, l'anneau sélectionné a été transformé en une image azimuthalement transformée, puis intégré sur toute la plage azimutale de 360° afin d'obtenir un profil de diffraction unidimensionnel, qui a ensuite été utilisé pour un ajustement quantitatif de la position des pics afin d'extraire l'espacement interréticulaire (d) et de calculer la déformation induite par le durcissement. Le pic (116) de l'alumine dans le profil intégré a été ajusté à l'aide d'une fonction pseudo-Voigt afin de déterminer la position du pic, puis extrait à chaque image de diffraction durant le processus de durcissement. Les pics ont été ajustés à l'aide d'un algorithme des moindres carrés non linéaire (lsqnonlin) appliqué à une fonction pseudo-Voigt, les paramètres ajustés étant l'intensité, la position centrale, la largeur (FWHM), et la forme (rapport gaussien à lorentzien). Un fond linéaire a été soustrait de chaque spectre avant ajustement. Les ajustements ont été effectués avec des contraintes de bornes et une tolérance de convergence de 10⁻4. La variation de l'espacement réticulaire a été calculée à partir des positions de pics ajustées en utilisant la loi de Bragg :
où d est la distance interréticulaire, n est l'ordre de diffraction, λ est la longueur d'onde des rayons X, et θ est l'angle de Bragg. Pour une comparaison directe avec les patrons de diffraction de référence de l'alumine standard, qui sont conventionnellement indexés en utilisant Cu Ka rayonnement, les distances interréticulaires mesurées ont également été utilisées pour calculer un équivalent 2θ valeur correspondant à Cu Ka rayonnement λ = 1.54056 Å via la loi de Bragg. Cet équivalent conventionnel 2θ plutôt que le synchrotron natif 2θ balanceλ = 0.137 Å), est utilisé pour l'axe de l'angle de diffraction. La déformation induite par le durcissement a ensuite été calculée en comparant l'espacement réticulaire à chaque instant avec la valeur initiale avant l'exposition aux UV :
où dt = n s est l'espacement du réseau à chaque instant pendant le durcissement et d0 est l'espacement initial du réseau avant l'exposition aux UV.
Résultats
Résultats de la spectroscopie de photoluminescence
La réponse en photoluminescence (PL) au stade initial permet de comprendre comment les contraintes induites par le durcissement se développent dans des conditions avec contact et sans contenant. Figure 5 montre l'évolution moyenne de la position du pic de photoluminescence de l'alumine au cours des 20 premières secondes pour les deux conditions, en illustrant la ligne de base avant l'exposition aux UV, la diminution rapide du nombre d'onde survenant immédiatement après l'exposition aux UV, ainsi que la récupération partielle ultérieure au fur et à mesure du durcissement.
Figure 5. Résultats moyens de photoluminescence montrant l'évolution du nombre d'onde au stade précoce durant le durcissement UV. La position du pic de photoluminescence de l'alumine a été moyennée sur trois échantillons répétés (n = 3) par condition et suivie durant les 20 premières secondes de durcissement dans des conditions avec contact et sans contenant. Les barres d'erreur représentent l'écart type entre les échantillons. Les 5 premières secondes correspondent à la ligne de base avant l'exposition UV, suivies de l'exposition aux UV, d'une diminution rapide du nombre d'onde induite par le durcissement en raison du transfert de contrainte de compression de la résine en voie de solidification vers les particules d'alumine intégrées, puis d'une récupération partielle ultérieure lorsque le réseau polymère se stabilise. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Pour la PL, trois échantillons indépendants (n = 3) ont été mesurés par condition. Les données brutes des trois réplicats pour chaque condition sont fournies dans l'énoncé de disponibilité des données.
Les 20 premières secondes du durcissement sont particulièrement importantes, car c'est durant cette période que se produit la plus grande variation du nombre d'onde, indiquant que l'évolution la plus rapide des contraintes a lieu peu après le début de l'exposition aux UV. Avant l'exposition aux UV, les deux conditions présentent des nombres d'onde initiaux différents. Cette différence pré-UV entre les conditions est de 0,660 cm-1 (nombre d'onde initial moyen de 14402,01 ± 0,028 cm-1 pour la condition sans contact et de 14401,350 ± 0,009 cm-1 pour la condition avec contact, n = 3). Toutes les valeurs ultérieures de décalage du pic rapportées dans cette étude sont calculées par rapport à la ligne de base pré-UV propre à chaque échantillon.
Après l'allumage de la LED UV à 5 s, la résine photopolymérise rapidement et commence à se solidifier autour des particules d'alumine intégrées, et le pic d'alumine se déplace en conséquence vers un nombre d'onde plus faible. L'échantillon en contact avec la surface présente une diminution plus rapide du nombre d'onde entre environ 5 et 7 s. En revanche, l'échantillon sans moule montre une diminution plus progressive, suggérant un développement de contrainte plus lent en l'absence de confinement par la paroi du moule.
Après cette diminution rapide, les deux conditions atteignent un nombre d'onde moyen minimal, puis présentent une récupération partielle vers un nombre d'onde plus élevé au fur et à mesure du durcissement. La condition avec contact atteint son minimum plus tôt et montre une récupération plus faible et plus progressive, restant relativement stable pendant le reste de la fenêtre de 20 s. La condition sans récipient atteint son minimum légèrement plus tard et présente une récupération plus marquée à partir d'environ 14 s.
Toutes les mesures PL ont satisfait aux critères d'acquisition réussie : un doublet R1/R2 net et bien résolu, avec un rapport signal sur bruit élevé tout au long de l'acquisition, ainsi qu'un alignement continu de l'échantillon au sein du point focal de la sonde optique à fibre pendant toute la durée du durcissement. Aucun échantillon n'a été exclu de l'ensemble de données rapporté. Un résultat sous-optimal, caractérisé par une perte partielle du signal due à la dérive des billes hors du point focal de la sonde ou par une ligne de base déformée nécessitant une correction de fond supplémentaire, n'a pas été observé dans cette étude, mais est mentionné ici afin d'assurer la reproductibilité.
Morphologie du spécimen en l'absence de contenant durant la lévitation contrôlée
La séquence d'images précoce de l'échantillon en lévitation permet de comprendre comment la microbille de résine réagit physiquement pendant la polymérisation UV. Figure 6 montre la morphologie de la bille à des intervalles successifs, depuis l'état liquide jusqu'à la formation du gel et la solidification rapide, en capturant l'évolution complète de sa forme depuis l'activation par UV jusqu'à l'état solide stable à 60 s, avec une taille finale de 2,5 × 2,5 × 1,4 mm.
Figure 6 : Évolution typique de la forme d'une goutte de résine en lévitation pendant le durcissement UV. La goutte reste liquide avant l'exposition aux UV, se transforme en gel vers 1 s, subit un changement de forme visible pendant la solidification rapide entre 2 et 5 s, puis atteint un état solide stable à 6 s sans modification ultérieure jusqu'à 60 s. Dimensions finales de la goutte durcie : 2,5 × 2,5 × 1,4 mm. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Avant l'exposition aux UV, comme la goutte est liquide, elle reste lisse et arrondie tout en étant en lévitation dans le champ acoustique. Une fois la LED UV activée, la goutte commence à gélifier dans la première à deuxième seconde. Entre 3 et 5 secondes, la goutte change de forme de manière plus marquée. Elle devient légèrement déformée et moins lisse. Après environ 6 secondes, la goutte est principalement solide, et sa forme ne change plus beaucoup. De 6 à 60 secondes, la goutte reste relativement stable, ce qui montre que la polymérisation principale et le changement de forme ont lieu durant les premières secondes suivant l'exposition aux UV.
Un essai réussi sans contenant s'est caractérisé par une gouttelette restant dans le nœud acoustique et dans le champ d'imagerie tout au long de la gélification et de la solidification, permettant ainsi de capturer la morphologie à chaque point temporel. Certains déplacements ou glissements de la gouttelette pendant le durcissement sont attendus, car les changements de distribution de masse et de propriétés de surface durant la gélification et la solidification modifient la réponse mécanique au champ acoustique. Un résultat sous-optimal, impliquant un déplacement ou une dérive suffisamment important pour expulser la gouttelette hors du cadre d'imagerie ou du nœud acoustique, n'a pas été observé dans cette étude, mais est mentionné ici afin d'assurer la reproductibilité.
Résultats de la diffraction des rayons X au synchrotron
Les profils de diffraction comparent de la poudre d'alumine pure avec les échantillons polymérisés pendant 10 minutes dans des conditions de polymérisation par contact de surface et sans contenant. Figure 7 présente les profils de diffraction complets des trois échantillons, accompagnés d'une vue agrandie du pic (116), où le décalage de la position en 2θ reflète directement l'ampleur de la contrainte réticulaire induite par le polymérisation dans chaque condition.
Figure 7. Décalage représentatif des pics XRD après réticulation UV. Les profils XRD de la poudre d'alumine pure et des échantillons en contact et sans contenant réticulés pendant 10 minutes sont comparés, l'axe de l'angle de diffraction étant exprimé selon une échelle angulaire conventionnelle équivalente pour permettre la comparaison avec les patrons de référence standards de l'alumine, plutôt que selon l'échelle native du synchrotron. Le pic d'alumine agrandi montre le décalage le plus important pour l'échantillon en contact, en accord avec une contrainte résiduelle plus élevée induite par la réticulation. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Le pic d'alumine (116) a été sélectionné pour l'analyse du décalage de pic car il fournit un pic net permettant de suivre les changements d'espacement réticulaire. Dans la région (116) agrandie, l'échantillon en contact présente le plus grand décalage de pic par rapport à la poudre d'alumine pure. L'échantillon sans contenant présente également un décalage de pic, mais ce décalage est plus faible que celui de l'échantillon en contact. Cette tendance est conforme aux résultats de la PL, où la condition avec contact a montré un décalage de pic plus important lié aux contraintes que la condition sans contenant. Par conséquent, les résultats de la PL et de la XRD confirment que l'environnement de polymérisation influence le développement des contraintes résiduelles dans le nanocomposite photopolymère chargé d'alumine.
Pour la DRX, trois échantillons indépendants (n = 3) ont été mesurés par condition. Les données brutes des trois réplicats par condition sont fournies dans l'énoncé de disponibilité des données. Figure 7 présente un échantillon représentatif par condition ; parmi les trois réplicats, la position finale du pic (116) était en moyenne de 57,523° ± 0,042° 2θ (conventionnel) dans la condition sans contact et de 57,786° ± 0,152° 2θ (conventionnel) dans la condition avec contact, ce qui est conforme à la tendance représentative illustrée dans Figure 7.
Un essai réussi de XRD se caractérisait par une goutte qui restait confinée dans l'empreinte du faisceau de rayons X tout au long du durcissement, produisant des anneaux de diffraction complets et continus, adaptés à l'intégration azimutale et à l'ajustement des pics. Un résultat sous-optimal survenait lorsque le déplacement de la goutte dans le champ acoustique éloignait l'échantillon de l'empreinte du faisceau, entraînant des anneaux de diffraction incomplets ou tronqués.
DISPONIBILITÉ DES DONNÉES :
L'ensemble de données soutenant les résultats de cette étude a été déposé dans le dépôt Zenodo et est publiquement accessible à l'adresse https://doi.org/10.5281/zenodo.20498417. Les ensembles de données téléchargés ont été acquis à l'aide de deux méthodes : la spectroscopie de photoluminescence et la diffraction des rayons X en synchrotron. Les données ont été collectées in situ pendant le durcissement des nanocomposites dans un léviteur acoustique.
Discussion
Précharge mécanique avant UV dans l'état contacté
Le nombre d'onde initial plus faible observé sur l'échantillon en contact (Figure 5) suggère qu'une contrainte pourrait déjà être introduite avant la polymérisation, probablement en raison de la préparation de l'échantillon, du confinement par le moule ou de l'interaction avec la lame de verre. Étant donné que l'échantillon en contact est enfermé par le moule en silicone et la lame de verre avant la polymérisation, tandis que l'échantillon sans contenant est déposé dans le champ acoustique sans aucun contact solide, le nombre d'onde initial plus faible observé dans la condition avec contact est attribué à une charge mécanique de compression appliquée à l'échantillon lors de l'encapsulation par le moule et la lame de verre. Ce décalage est présent avant le début de l'exposition aux UV et reflète donc un effet de précontrainte mécanique plutôt qu'un processus lié à la polymérisation. Ce décalage préexistant n'affecte donc pas l'évolution rapportée de la position du pic au sein de chaque condition, mais il implique que les deux conditions commencent la polymérisation à partir d'états absolus de nombre d'onde différents, ce qu'il convient de prendre en compte lors de la comparaison des valeurs absolues de nombre d'onde entre les conditions, plutôt que de leur évolution temporelle.
Taux et récupération de l'évolution de la contrainte pendant le durcissement
L'échantillon en contact présente une diminution plus rapide du nombre d'onde entre environ 5 et 7 s (Figure 5), indiquant une accumulation de contrainte et un durcissement de la résine plus rapides dans des conditions de confinement par le moule, tandis que l'échantillon sans contenant montre une diminution plus progressive, suggérant un développement plus lent des contraintes en l'absence de confinement. La récupération partielle ultérieure observée dans les deux conditions est compatible avec une relaxation partielle des contraintes au fur et à mesure que le réseau polymère se stabilise. La récupération plus précoce mais moindre dans la condition avec contact et la récupération plus tardive mais plus marquée dans la condition sans contenant sont cohérentes avec une relaxation des contraintes plus importante en l'absence de confinement par un contenant.
Morphologie des billes comme preuve de la cinétique de durcissement
La séquence de la morphologie des billes (Figure 6) aide à expliquer ce comportement au niveau microstructural. Avant l'exposition aux UV, la bille reste à l'état liquide. La gélification se produit environ 1 s, marquant le moment où la résine commence à former un réseau solide. Entre 2 et 5 s, la bille subit une solidification rapide accompagnée d'un changement de forme visible, car la résine durcit tandis que la bille est encore en mouvement dans le champ acoustique ; une fois que la résine devient suffisamment solide, elle ne peut plus revenir à sa forme liquide initiale et arrondie, de sorte qu'une partie de cette déformation devient permanente. Vers environ 6 s, la bille atteint un état solide stable sans changement de forme supplémentaire jusqu'à 60 s, indiquant que la majeure partie du changement de forme lié au durcissement est limitée aux premières secondes suivant l'exposition aux UV.
Facteurs de confusion entre les conditions de durcissement
Bien que la contrainte résiduelle plus élevée observée dans la condition avec contact soit compatible avec la présence d'une paroi rigide, absente dans la condition sans contenant, d'autres facteurs distinguent les deux environnements de polymérisation et n'ont pas été isolés indépendamment dans cette étude. La longueur d'onde UV et la distance entre la DEL UV et l'échantillon ont été maintenues constantes dans les deux conditions, de sorte qu'elles ne contribuent pas à la différence observée. Toutefois, des facteurs tels que l'inhibition par l'oxygène aux surfaces exposées, le rapport surface/volume de l'échantillon, les transferts et dissipations thermiques, les pertes par évaporation, la géométrie de l'échantillon et la cinétique de polymérisation pourraient différer entre les deux conditions et n'ont pas été séparés indépendamment dans ce travail. De plus, la forme finale du cordon diffère quelque peu selon les conditions : l'échantillon en contact est contraint par la géométrie en forme de disque du moule en silicone, tandis que l'échantillon sans contenant adopte une forme ellipsoïdale façonnée par le champ acoustique. Étant donné que la géométrie de l'échantillon peut elle-même influencer les gradients locaux de retrait et le comportement de polymérisation, cette différence de forme constitue un facteur supplémentaire qui n'a pas été isolé dans la présente étude. Toutefois, les deux types d'échantillons restent globalement comparables en termes de taille et ne présentent pas de différences marquées en forme, et des travaux futurs utilisant des géométries d'échantillons appariées ou contrôlées dans les deux conditions permettraient d'isoler cet effet de celui de la contrainte de paroi elle-même. Il convient de noter que ces mêmes facteurs représentent également des différences inhérentes entre les environnements de fabrication terrestres (avec moule contraint) et spatiaux (sans contenant), plutôt que des artefacts purement expérimentaux à éliminer. L'isolement de la contribution individuelle de chaque facteur dépassait le cadre de la présente étude, qui rapporte plutôt la différence nette de contrainte entre les environnements de polymérisation avec contact et sans contenant dans leur ensemble.
Il convient de noter que la lévitation acoustique reproduit une condition aux limites mécanique sans contenant, mais ne reproduit pas intégralement un véritable environnement de microgravité. La forme de la goutte lévitée est restée stable et reproductible entre les échantillons (Figure 6), et aucun tassement évident des particules n’a été observé pendant la polymérisation, ce qui indique que tout écoulement interne généré par le champ acoustique nécessaire à la lévitation stable de l’échantillon n’a pas provoqué de perturbation visible de la morphologie de la goutte ou de la distribution des particules. La cohérence de la tendance observée entre les échantillons répétés, ainsi qu’entre la photoluminescence (PL) et la diffraction des rayons X (XRD), confirme que la contrainte exercée par les parois du contenant est le facteur principal à l’origine des différences observées entre les conditions.
Les résultats et découvertes présentés ici démontrent l'impact de ces techniques expérimentales en fournissant des données accessibles obtenues au sol, montrant les effets d'environnements sans contenant sur la fabrication de nanocomposites, avant des missions spatiales visant la fabrication assistée par microgravité. Ces résultats constituent une base pour optimiser davantage les procédés de fabrication et les compositions de matériaux en vue du développement de matériaux fonctionnels pour des applications spatiales.
Le décalage systématiquement plus important du pic observé dans la condition avec contact par rapport à la condition sans contenant, en accord avec une contrainte résiduelle plus élevée, a des implications potentielles pour la fabrication dans l'espace. Les matériaux traités en microgravité durcissent naturellement à l'état sans contenant, de sorte que la contrainte résiduelle intégrée dans la pièce finale différera de celle d'un matériau formulé de manière identique mais fabriqué sur Terre dans un moule. La contrainte résiduelle est un facteur connu influant sur les performances mécaniques, la stabilité dimensionnelle et la durabilité à long terme des composites polymères durcis de manière générale39,40,41,42 ; toutefois, la présente étude caractérise uniquement l'évolution de la contrainte résiduelle et n'inclut pas d'essais mécaniques sur les échantillons durcis. Dans quelle mesure les différences de contrainte observées se traduisent par des écarts mesurables dans les performances mécaniques ou la durabilité reste donc à déterminer. Ces résultats soulignent néanmoins la nécessité de prendre en compte l'environnement de traitement lors de la qualification de matériaux nanocomposites pour des applications spatiales, et suggèrent que les bases de données terrestres des propriétés des matériaux, basées sur des échantillons durcis dans des moules, pourraient ne pas rendre pleinement compte de l'état de contrainte résiduelle du même matériau fabriqué dans des conditions sans contenant, pertinentes pour la microgravité. La caractérisation mécanique directe d'échantillons durcis dans les deux conditions constitue une direction importante pour les travaux futurs afin d'établir ce lien.
Étapes critiques et dépannage
Deux aspects de la préparation des échantillons sans contenant méritent une attention particulière pour assurer la reproductibilité. Premièrement, le maintien d'une lévitation stable de la goutte pendant le dispensage est sensible à l'amplitude acoustique : si la goutte se déplace notablement autour du nœud acoustique, cela indique que la force de piégeage est déséquilibrée par rapport à la masse et à la position de la goutte. Dans ce cas, l'amplitude doit être réduite progressivement plutôt que par grands sauts, car une diminution en dessous du niveau nécessaire à l'équilibre des forces entraînerait la chute de la goutte du champ. Les ajustements d'amplitude doivent donc être effectués par petits incréments tout en surveillant en temps réel la stabilité de la goutte, plutôt que d'être réalisés en une seule étape corrective.
Deuxièmement, le détachement fiable de la goutte de suspension depuis l'extrémité de la seringue vers le nœud acoustique dépend de plusieurs facteurs interdépendants, notamment la viscosité de la suspension, la tension superficielle, le diamètre de l'extrémité, le comportement d'humidité, le volume de la goutte et la force de piégeage. Dans cette étude, les gouttes ont été séparées d'une extrémité de seringue de calibre 18 (1,26 po de longueur) uniquement à l'aide de la force de radiation acoustique, sans séparation manuelle, ce qui s'est révélé fiable pour les volumes de gouttes et la viscosité de suspension utilisés ici. Les lecteurs qui tentent cette manipulation avec une taille de goutte égale ou inférieure au diamètre de l'extrémité de la seringue, ou avec des suspensions plus visqueuses, peuvent constater que la goutte ne se détache pas complètement de l'extrémité sous l'effet exclusif de la traction acoustique. Dans de tels cas, il est recommandé de réduire la viscosité de la suspension ou de passer à une extrémité de plus grand diamètre afin d'assurer un chargement fiable des gouttes.
Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt concurrentiel.
Remerciements
Ce travail est basé sur des activités soutenues par la bourse CMMI 2349931 de la National Science Foundation. Cette recherche a été réalisée grâce à un temps de faisceau attribué au Advanced Photon Source (DOI : https://doi.org/10.46936/APS-191109/60014859), une installation scientifique du Department of Energy (DOE) des États-Unis, exploitée pour le compte du DOE Office of Science par le laboratoire national Argonne en vertu du contrat n° DE-AC02-06CH11357.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Poudre d'alumine alpha | Inframat Advanced Materials | 26N-0802A | Poudre d'alumine |
| d-SAL | Materials Development, Inc. (MDI) | - | Lévitation acoustique |
| Résine photopolymère type ABS Elegoo | ELEGOO | X004C0BJT | Résine |
| INTLLAB MS-500 | INTLLAB | - | Agitateur magnétique |
| LightField | Teledyne Princeton Instruments, Trenton, NJ, USA | https://www.teledynevisionsolutions.com/en-in/products/lightfield/?model=LF&vertical=tvs-princeton-instruments&segment=tvs | |
| MATLAB | The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA | https://www.mathworks.com/products/matlab.html |
Références
- Merancy N. et al. ESDMD-001: Moon to Mars architecture definition document | Revision C - 2025. National Aeronautics and Space Administration; Washington (DC); 2025 Dec. Report No.: NASA/TP-20250010956. Available from: http://www.sti.nasa.gov
- Denis G. et al. From new space to big space: How commercial space dream is becoming a reality. Acta Astronaut. 2020;166:431—443.
- Mueller RP. Lunar base construction planning [conference presentation]. Presented at: Earth and Space 2022. 2022:858–870.
- Duke MB, Mendell WW. Scientific investigations at a lunar base. Acta Astronaut. 1988;17(7):675—690.
- Wahl McDonnell Douglas Corp BW, Wahl McDonnell BW. Analysis of selected opportunities for manufacturing in space. Vol. 2. 1969. Available from: https://commons.erau.edu/space-congress-proceedings/proceedings-1969-6th-v2/session-11/2
- Naser MZ, Chehab AI. Polymers in space exploration and commercialization. In: AlMaadeed MAA, Ponnamma D, Carignano MA, eds. Polymer Science and Innovative Applications. Elsevier; 2020:457—484.
- Dmitriev RI. et al. Versatile conjugated polymer nanoparticles for high-resolution O2 imaging in cells and 3D tissue models. ACS Nano. 2015;9(5):5275—5288.
- Li X. et al. High-temperature capacitive energy storage in polymer nanocomposites through nanoconfinement. Nat Commun. 2024;15(1):6655.
- Amberkar T, Mahanwar P. Phase change material nanocomposites for thermal energy storage applications. Materials Proceedings. 2022;9(1):8.
- Harsch M, Karger-Kocsis J, Holst M. Influence of fillers and additives on the cure kinetics of an epoxy/anhydride resin. Eur Polym J. 2007;43(4):1168—1178.
- Stevenson A, Jones A, Raghavan S. Stress-sensing nanomaterial calibrated with photostimulated luminescence emission. Nano Lett. 2011;11(8):3274—3278.
- Sarioglu C, Schumann E, Blachere JR, Pettit FS, Meier GH. X-ray determination of stresses in alumina scales on high temperature alloys. Materials at High Temperatures. 2000;17(1):109—115.
- Leoni M, Scardi P, Sglavo VM. Relaxation of indentation residual stress in alumina: Experimental observation by X-ray diffraction. J Eur Ceram Soc. 1998;18(12):1663—1668.
- Abuhasan A, Balasingh C, Predecki P. Residual stresses in Alumina/Silicon Carbide (Whisker) composites by X-ray diffraction. J Am Ceram Soc. 1990;73(8):2474—2484.
- Noyan IC, Cohen JB. Residual Stress: Measurement by Diffraction and Interpretation. Springer; 2013.
- Jantananont P, et al. Characterizing UV resin curing with additives under simulated microgravity for in-space manufacturing. Presented at: AIAA SciTech 2026 Forum; 2026 Jan 8. doi:10.2514/6.2026-1047.
- de Hoffmann SI, Greenwood LJ, Raghavan S. The use of regolith simulant as a material for building functional sensors in extreme environments. Presented at: Regional Student Conferences, 2025; 2025. doi:10.2514/6.2025-99380.
- Sorgi Johann ML, et al. Investigating the Raman characteristics of regolith simulants towards the creation of functional materials. Presented at: AIAA SCITECH 2025 Forum; 2025:2501.
- Astacio J, et al. In-space manufacturing of functional sensors. Presented at: 75th International Astronautical Congress (IAC 2024), 2024 IAF Microgravity Sciences and Processes Symposium; Milan, Italy; 2024:538–544.
- Warren P, et al. Effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of molded Martian and Lunar regolith. Ceram Int. 2022;48(23):35825—35833.
- Latorre P, et al., inventors; University of Central Florida Research Foundation, Inc., assignee. Manufacturing sensors using celestial body regolith. United States patent US 12,576,583 B2. 2026 Mar 17.
- Tuckermann R, et al. Chemical analysis of acoustically levitated drops by Raman spectroscopy. Anal Bioanal Chem. 2009;394(5):1433—1441.
- Li L, Gu N, Dong H, Li B, Kenneth TVG. Analysis of the effects of acoustic levitation to simulate the microgravity environment on the development of early zebrafish embryos. RSC Adv. 2020;10(72):44593—44600.
- Boudreaux T, et al. Biological acoustic levitation and its potential application for microgravity study. Bioengineering. 2025;12(5).
- Vashi A, Yadav AS, Nguyen NT, Sreejith KR. Parametric analysis of acoustically levitated droplet for potential microgravity application. Appl Acoust. 2023;213.
- Wilke SK, et al. Microgravity effects on nonequilibrium melt processing of neodymium titanate: Thermophysical properties, atomic structure, glass formation and crystallization. npj Microgravity. 2024;10(1):26.
- Bauser HC, et al. A study on the stability of ritonavir form III processed in orbit and returned to Earth. npj Microgravity. 2026;12(1).
- Leiterer J, et al. The use of an acoustic levitator to follow crystallization in small droplets by energy-dispersive X-ray diffraction. J Appl Crystallogr. 2006;39(5):771—773.
- Sønderby P, et al. Concentrated protein solutions investigated using acoustic levitation and small-angle X-ray scattering. J Synchrotron Radiat. 2020;27(2):396—404.
- Tsujino S, Tomizaki T. Ultrasonic acoustic levitation for fast frame rate X-ray protein crystallography at room temperature. Sci Rep. 2016;6(1):25558.
- Morris RH, et al. Non-contact universal sample presentation for room temperature macromolecular crystallography using acoustic levitation. Sci Rep. 2019;9(1):12431.
- Andrade MAB, Marzo A, Adamowski JC. Acoustic levitation in mid-air: Recent advances, challenges, and future perspectives. Appl Phys Lett. 2020;116(25):250501.
- Hanhan I, Durnberg E, Freihofer G, Akin P, Raghavan S. Portable piezospectroscopy system: Non-contact in situ stress sensing through high resolution photo-luminescent mapping. J Instrum. 2014;9(11):P11005—P11005.
- Freihofer G, Poliah L, Walker K, Medina A, Raghavan S. Optical stress probe: In situ stress mapping with Raman and photo-stimulated luminescence spectroscopy. J Instrum. 2010;5(12):P12003—P12003.
- Raghavan S, Imbrie PK, Crossley WA. Spectral analysis of R-lines and vibronic sidebands in the emission spectrum of ruby using genetic algorithms. Appl Spectrosc. 2008;62(7):759—765.
- Rossmann L, et al. Method for conducting in situ high-temperature digital image correlation with simultaneous synchrotron measurements under thermomechanical conditions. Rev Sci Instrum. 2020;91(3):033705.
- Siddiqui SF, et al. Synchrotron X-ray measurement techniques for thermal barrier coated cylindrical samples under thermal gradients. Rev Sci Instrum. 2013;84(8):083904.
- Raghavan S, Imbrie P. High-resolution stress mapping of polycrystalline alumina compression using synchrotron X-ray diffraction. J Synchrotron Radiat. 2011;18(3):497—505.
- Shokrieh MM, Ghanei Mohammadi AR. The importance of measuring residual stresses in composite materials. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:3—14.
- Shokrieh MM, Akbari S, Daneshvar A. Reduction of residual stresses in polymer composites using nano-additives. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:246—268.
- Nardi T, et al. Stress reduction mechanisms during photopolymerization of functionally graded polymer nanocomposite coatings. Prog Org Coat. 2015;87:204—212.
- Rahimian-Koloor SM, Shokrieh MM. Investigating the effect of the curing-induced residual stress on the mechanical behavior of carbon nanotube/epoxy nanocomposites by molecular dynamics simulation. Eng Sci. 2023;22:817.
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