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Le nec plus ultra de l’électronique flexible : les matériaux 2D autoassemblés - Par : Hanen Hattab,

Le nec plus ultra de l’électronique flexible : les matériaux 2D autoassemblés


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Il y a quelques années, les vidéos virales de prospective scientifique ont inondé la toile avec les objets connectés flexibles du futur, se pliant jusqu’à épouser la forme d’une peau ou carrément la remplacer. Ces technologies seront commercialisées  lorsque la fabrication des nanomatériaux et des nanocomposants qui les constituent deviendra accessible aux industriels. Cet article présente une avancée dans le domaine des matériaux bidimensionnels, qui accélèrera l’introduction de l’électronique flexible dans notre quotidien.

 Des matériaux qui s’autoassemblent à l’échelle nanométrique

La fabrication des matériaux bidimensionnels présente deux facteurs importants qui empêchent leur introduction dans l’industrie de masse :

  1. Le coût élevé de leur procédé de fabrication par évaporation sous vide ;
  2. Les limites techniques de ce procédé qui ne permet pas l’augmentation de leur taille.

Afin de faciliter la fabrication des matériaux bidimensionnels, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l’Université Penn State, en Pennsylvanie aux Etats-Unis, a créé un matériau hybride, organique et artificiel, qui s’autoassemble pour former sa structure nanométrique.

Les matériaux comme l’oxyde de graphène possèdent une structure planaire monocouche de molécules assemblées. La caractéristique principale de cette classe de matériaux est d’avoir une dimension bien déterminée à savoir la hauteur d’une molécule. Leur longueur ou largeur importe peu puisqu’elles n’interviennent pas dans les propriétés physico-chimiques recherchées par les ingénieurs dans plusieurs domaines d’application.

Pour fabriquer des composites et des dispositifs fonctionnels, les matériaux bidimensionnels doivent être empilés soit sous forme de feuilles identiques, soit en combinant des feuilles de différentes compositions empilées selon les spécifications et les propriétés recherchées. Avec Mauricio Terrones, professeur de physique, de chimie et de sciences et ingénierie des matériaux, et directeur du 2D Atomic Center de l’Université Penn State, cette équipe a conçu un matériau bidimensionnel composé de feuilles identiques grâce à un procédé utilisant un solvant qui permet l’autoassemblage du matériau.

L’équipe a conçu des assembleurs programmables de matériaux bidimensionnels qui permettent un auto-assemblage intramoléculaire. L’interaction entre ces deux éléments génère un polymère hybride caractérisé par un faible écart entre les couches lui conférant en outre la propriété d’élasticité.

Fabrication et test du composite auto-assemblé

Pour fabriquer ce polymère composite les chercheurs ont utilisé des feuilles d’oxydes de graphène et des polymères synthétiques à base de protéines extraites des dents minuscules se trouvant dans les ventouses des tentacules du calmar.

Les ventouses d’un Mastigoteuthis (calmar)

Les protéines sous forme de solvant s’attachent les unes aux autres spontanément aux extrémités des couches d’oxyde de graphène créant des liaisons (entre les couches du matériau bidimensionnel) dont la longueur détermine la flexibilité du polymère.

Le codirecteur de cette étude, Melik C. Demirel, professeur de sciences et de mécanique de l’ingénierie, a affirmé que personne n’a réussi jusqu’à présent à empiler des couches composites distancées de moins de 1 nanomètre. Or son équipe a pu empiler des couches distancées de 0.4, 0.6 ou 0.9 nanomètres en choisissant le poids moléculaire approprié de la même protéine.

Les chercheurs ont testé la capacité de ce composite à réagir comme des actionneurs thermiques bimorphes. Lorsqu’il est activé, généralement par un courant électrique, l’actionneur bimorphe disposé perpendiculairement à la surface,  effectue un mouvement angulaire.

Ce nouvel actionneur bimorphe fonctionne à des tensions d’environ 2 volts démontrant une efficacité énergétique 18 fois supérieures aux actionneurs bimorphes réguliers. L’équipe pense qu’avec des protéines ayant un poids moléculaire plus grand, cet actionneur peut effectuer un mouvement angulaire plus important.

La flexibilité et la robustesse de ce matériau permettront la création de composants dans l’électronique flexible, les systèmes de stockage d’énergie et les actionneurs mécaniques.

Cette étude a été financée par l’ U.S. Army Research Office. Elle s’intitule « Programmable molecular composites of tandem proteins with graphene oxide for efficient bimorph actuators » et a été publiée dans la revue ScienceDirect.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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Domaines d'expertise :

Nanomatériaux  Nanostructures