Des couches intermédiaires minces renforcent les matériaux multicouches : des satellites froids et une électronique flexible
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Super léger, super flexible, super isolant : pour protéger les satellites contre les températures extrêmes, on utilise un film polymère revêtu d'aluminium. Des chercheurs de l'Empa de Thoune rendent ce matériau encore plus résistant en y ajoutant une couche intermédiaire très fine. L'électronique flexible et les capteurs médicaux pourraient également être améliorés de cette manière.
Qui ne connaît pas l'image archétypale d'un satellite ? Deux "ailes" solaires déployées et un corps compact, enveloppé dans un film aux reflets dorés ou argentés. C'est précisément ce film que les chercheurs du laboratoire "Mechanics of Materials and Nanostructures" de l'Empa à Thoune étudient.
Sa large diffusion le révèle déjà : ce film est extrêmement important pour les satellites et les sondes spatiales. Il s'agit de ce que l'on appelle une "isolation multicouche", ou superisolation en français. Il se compose de plusieurs couches d'un polymère robuste recouvert d'une fine couche de métal, généralement de l'aluminium. Sur Terre, on rencontre le film enduit sous forme de couvertures de survie.
À bord des engins spatiaux, la superisolation protège l'électronique des variations de température. "Pour les satellites en orbite terrestre proche, la différence de température entre le côté opposé au soleil et le côté tourné vers le soleil est d'environ 150 degrés", explique Barbara Putz, chercheuse à l'Empa. "Or, l'électronique fonctionne mieux à une température ambiante de 25 degrés Celsius". Comme elle est directement exposée aux conditions spatiales, la superisolation elle-même doit pouvoir supporter un certain nombre de contraintes.
Le polyimide, extrêmement résistant, est généralement utilisé comme base polymère pour la structure en couches minces. Outre sa résistance à la température et au vide, ce plastique se distingue également par le fait que la couche d'aluminium y adhère particulièrement bien. "La raison en est une couche intermédiaire de quelques nanomètres qui se forme entre le polymère et l'aluminium lors du revêtement", explique Putz. La chercheuse veut maintenant étudier cette couche intermédiaire de plus près - et l'utiliser de manière ciblée. Cette couche doit non seulement permettre une meilleure superisolation pour les futurs satellites, mais aussi accélérer le développement de l'électronique flexible sur Terre. Pour ce projet de recherche, elle a reçu en 2020 l'"Ambizione Grant" du Fonds national suisse (FNS).
Cinq nanomètres font la différence
Pour comprendre précisément la couche intermédiaire et ses effets sur les propriétés du matériau, Barbara Putz et sa doctorante Johanna Byloff ont opté pour un système modèle simple : un film de polyimide de 50 micromètres d'épaisseur, recouvert de 150 nanomètres d'aluminium. Entre le métal et le plastique, les chercheuses appliquent un revêtement d'oxyde d'aluminium de seulement cinq nanomètres. Le travail avec une couche intermédiaire aussi fine est exigeant. Pour garantir un traitement propre, les chercheuses utilisent une machine de revêtement de la spin-off de l'Empa Swiss Cluster AG, fondée en 2020 par des chercheurs du laboratoire "Mechanics of Materials and Nanostructures". L'appareil permet d'appliquer plusieurs procédés de revêtement successifs sur la même pièce sans la sortir de la chambre à vide.
"Notre combinaison de matériaux correspond à celle utilisée pour les applications spatiales, par exemple pour la sonde européenne de Mercure BepiColombo ou pour le bouclier solaire du télescope spatial James Webb de la NASA", explique Byloff. "Sauf que la couche intermédiaire d'oxyde s'y forme naturellement, alors que nous la fabriquons de manière ciblée, ce qui permet d'ajuster les propriétés". Le bouclier solaire du télescope spatial, qui mesure 21 mètres sur 14, illustre également les exigences imposées au matériau dans l'espace. Outre les grandes différences de température, les couches isolantes sont également soumises à des contraintes mécaniques. "D'une part, le bouclier solaire était rangé lors du lancement du télescope et devait se déployer sur le lieu d'utilisation sans que les couches ne se déchirent ou ne se détachent les unes des autres", explique Byloff. "D'autre part, les particules et les débris spatiaux peuvent endommager le film. Il est alors important que les dommages restent locaux et ne s'étendent pas sous forme de longues fissures sur toute la surface".
Des satellites aux capteurs médicaux
Les chercheuses ont examiné leur film modèle sous toutes les coutures, l'ont soumis à des essais d'étirement et à des chocs thermiques et l'ont caractérisé chimiquement et physiquement. Résultat : la couche intermédiaire rend le matériau plus extensible et nettement plus résistant aux fissures et aux forces de cisaillement. La prochaine étape pour les chercheuses est de varier l'épaisseur de la couche et de l'appliquer à d'autres substrats polymères. "La couche intermédiaire naturelle ne se forme que sur le polyimide et seulement sur une épaisseur de cinq nanomètres, ce qui limite son utilité", explique Barbara Putz. "Nous nous attendons à ce que notre couche intermédiaire artificielle permette de réaliser des systèmes multicouches sur d'autres polymères qui, jusqu'à présent, n'entraient pas du tout en ligne de compte en raison de la mauvaise adhérence du revêtement".
L'isolation des satellites n'est pas le seul domaine dans lequel les systèmes multicouches flexibles sont demandés. Putz et Byloff voient également un grand champ d'application pour leurs recherches dans le domaine de l'électronique flexible, qui repose également sur des substrats polymères revêtus de métal. Les composants à couches minces pour les appareils électroniques comportent généralement plusieurs couches de différents matériaux. Mais là aussi, les propriétés mécaniques pourraient être améliorées par l'utilisation ciblée de couches intermédiaires minces. Cela pourrait par exemple permettre de fabriquer des appareils pliables ou enroulables, des textiles intelligents et des capteurs médicaux souples.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Johanna Byloff, Vivek Devulapalli, Daniele Casari, Thomas E. J. Edwards, Claus O. W. Trost, Megan J. Cordill, Shuhel Altaf Husain, Pierre‐Olivier Renault, Damien Faurie, Barbara Putz; "From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers"; Advanced Functional Materials, 2025-11-27
Johanna Byloff, Claus Othmar Wolfgang Trost, Vivek Devulapalli, Shuhel Altaf Husain, Damien Faurie, Pierre-Olivier Renault, Thomas Edward James Edwards, Megan J. Cordill, Daniele Casari, Barbara Putz; "Atomic Layer-Deposited Interlayers for Robust Metal–Polymer Interfaces"; ACS Applied Materials & Interfaces, Volume 17, 2025-7-8
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