L‘effet caméléon: Capteurs et écrans durables
Un matériau élastique qui change de couleur, conduit l'électricité, peut être imprimé en 3D et est en outre biodégradable ?
Fabriquer des capteurs et des écrans biodégradables par impression 3D ? Des chercheurs du laboratoire "cellulose & Wood Materials" de l'Empa ont mis au point un matériau à base de cellulose qui permet précisément de réaliser cela. Le mélange d'hydroxpropyl-cellulose, d'eau, de Nanotubes de carbone et de nanofibres de cellulose change de couleur en fonction de la température et de l'étirement - et ce, sans aucun ajout de pigments.
Cellulose multicolore : Le logo de l‘Empa imprimé en 3D à partirdu nouveau mélange HPC change de couleurlorsqu‘il est chauffé.
Empa
Un matériau élastique qui change de couleur, conduit l'électricité, peut être imprimé en 3D et est en outre biodégradable ? Ce n'est pas seulement un vœu pieux de la science : c'est précisément cette solution miracle que les chercheurs de l'Empa du laboratoire "Cellulose & Wood Materials" à Dübendorf ont fabriquée à base de cellulose et de nanotubes de carbone.
Les chercheurs ont utilisé comme matière première de l'hydroxypropylcellulose (HPC), qui est notamment utilisée comme excipient dans les produits pharmaceutiques, les cosmétiques et les aliments. L'une des particularités de la HPC est qu'elle forme des cristaux liquides après l'ajout d'eau. Ces cristaux liquides ont une propriété remarquable : selon leur structure cristalline - qui dépend entre autres de la concentration en HPC - ils irisent dans les couleurs les plus diverses - bien qu'ils soient en fait sans couleur ou sans pigment. Ce phénomène, appelé coloration structurelle, est bien connu dans la nature : Les plumes de paon, les ailes de papillon et la peau du caméléon ne doivent pas tout ou partie de leur coloration multicolore à des colorants, mais à des structures microscopiques qui "divisent" la lumière du jour (blanche) incidente en ses couleurs spectrales et ne réfléchissent que certaines longueurs d'onde - c'est-à-dire certaines couleurs.
La couleur structurelle du HPC ne change pas seulement avec la concentration, mais aussi avec la température. Pour mieux exploiter cette propriété, l'équipe de Gustav Nyström a ajouté 0,1 % de nanotubes de carbone au mélange de HPC et d'eau. Cela rend le liquide conducteur d'électricité 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 spectre, ce qui rend les couleurs plus intenses. Grâce à un autre additif, une petite quantité de nanofibres de cellulose, l'équipe de Gustav Nyström a en outre réussi à rendre le mélange imprimable en 3D sans compromettre la coloration et la conductivité.
Capteurs et écrans durables
Grâce à l'impression 3D, les chercheurs ont fabriqué différents exemples d'applications à partir de ce nouveau mélange de cellulose. Parmi eux, un capteur de contrainte qui change de couleur en fonction de la déformation mécanique, ainsi qu'un simple écran composé de sept segments commandés électriquement. "Nous avons déjà développé dans notre laboratoire différents composants électroniques à base de cellulose, comme des batteries et des capteurs", explique Xavier Aeby, co-auteur de l'étude. "C'est maintenant la première fois que nous avons également pu développer un écran à base de cellulose".
À l'avenir, l'encre à base de cellulose pourrait trouver de nombreuses applications très différentes, 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 présentent un grand intérêt, notamment pour des applications dans l'électronique biodégradable et pour l'internet des objets", explique le directeur du laboratoire, Gustav Nyström. "Il y a encore beaucoup de questions ouvertes sur la manière dont la coloration structurelle se forme en fait et comment elle peut être modifiée par différents additifs ou par des influences environnementales". C'est ce que Gustav Nyström et son équipe veulent continuer à explorer dans l'espoir de découvrir d'autres phénomènes et applications intéressants.
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