Empa développe des capteurs et des écrans biodégradables

Fabriquer des capteurs et des écrans biodégradables par impression 3D ? Un matériau qui rend cela possible a été développé par des chercheurs du laboratoire « Cellulose & Wood Materials » de l’Empa, basé sur la cellulose. Le mélange d’hydroxypropylcellulose, d’eau, de nanotubes de carbone et de nanofibres de cellulose change de couleur en fonction de la température et de l’étirement – et cela sans ajout de pigments.

(Dübendorf) Un matériau élastique qui change de couleur, conduit l’électricité, peut être imprimé en 3D et est en plus biodégradable ? Ce n’est pas qu’un rêve scientifique : c’est exactement ce « couteau suisse » que des chercheurs de l’Empa, du laboratoire « Cellulose & Wood Materials » à Dübendorf, ont créé à partir de cellulose et de nanotubes de carbone.

Comme matière première, les chercheurs ont utilisé de l’hydroxypropylcellulose (HPC), qui est notamment utilisée comme excipient dans les produits pharmaceutiques, les cosmétiques et les aliments. Une particularité de l’HPC est qu’elle forme des cristaux liquides lorsqu’on y ajoute de l’eau. Ces cristaux liquides ont une propriété remarquable : selon la structure cristalline – qui dépend notamment de la concentration de l’HPC – ils scintillent dans les couleurs les plus diverses, bien qu’ils soient en réalité incolores ou sans pigments. Ce phénomène s’appelle la coloration structurelle et est connu dans la nature : les plumes de paon, les ailes de papillon et la peau du caméléon obtiennent leur couleur vive entièrement ou partiellement non pas par des colorants, mais par des structures microscopiques qui « décomposent » la lumière du jour (blanche) en ses couleurs spectrales et ne réfléchissent que certaines longueurs d’onde – c’est-à-dire : couleurs.

La couleur change également avec la température

La couleur structurelle de l’HPC ne change pas seulement avec la concentration, mais aussi avec la température. Pour mieux exploiter cette propriété, les chercheurs dirigés par Gustav Nyström ont ajouté 0,1 % en masse de nanotubes de carbone au mélange d’HPC et d’eau. Cela rend le liquide électriquement conducteur et permet aux chercheurs de contrôler la température – et donc la couleur des cristaux liquides – en appliquant une tension électrique. Bonus : le carbone agit comme un absorbeur à large bande, rendant les couleurs plus intenses. Avec un autre ajout, une petite quantité de nanofibres de cellulose, l’équipe de Nyström a également réussi à rendre le mélange imprimable en 3D, sans affecter la coloration et la conductivité.

Biodégradable : L’écran est composé de 7 segments conducteurs qui changent de couleur grâce à la chaleur électrique

Grâce à l’impression 3D, les chercheurs ont fabriqué différents exemples d’application à partir du nouveau mélange de cellulose. Parmi eux, un capteur d’étirement qui change de couleur en fonction de la déformation mécanique, ainsi qu’un écran simple composé de sept segments contrôlés électriquement. « Nous avons déjà développé dans notre laboratoire différents composants électroniques à base de cellulose, comme des batteries et des capteurs », déclare Xavier Aeby, co-auteur de l’étude. « C’est la première fois que nous avons pu développer un écran à base de cellulose. »

Différentes applications envisageables

À l’avenir, l’encre à base de cellulose pourrait trouver de nombreuses applications variées, par exemple pour des capteurs de température et de déformation, pour le contrôle de la qualité des aliments ou pour le diagnostic biomédical. « Les matériaux durables qui peuvent être imprimés en 3D suscitent un grand intérêt, notamment pour des applications en électronique biodégradable et pour l’Internet des objets », déclare le responsable du laboratoire Nyström. « Il reste encore de nombreuses questions ouvertes sur la façon dont la coloration structurelle se produit et comment elle peut être modifiée par différents additifs ou par des influences environnementales. » Nyström et son équipe souhaitent continuer à explorer ces questions dans l’espoir de découvrir d’autres phénomènes intéressants et possibilités d’application.

Photos : © Empa