La spintronique biosourcée : des capteurs de champ magnétique durables - imprimé

Fer, cellulose et cire d'abeille : une équipe internationale dirigée par des chercheurs du HZDR a démontré que ces matériaux respectueux de l'environnement sont suffisants pour produire de nouveaux capteurs de champ magnétique. Au lieu d'utiliser des méthodes de fabrication traditionnelles, l'équipe opte pour des encres biosourcées et des technologies d'impression industrielle.

Aujourd'hui, les capteurs de champ magnétique sont l'un des produits de masse invisibles de l'industrie électronique. Ils mesurent les mouvements, les positions ou les distances et se retrouvent dans les contacts de fenêtres, les volants, les disques durs, les emballages et les téléphones portables. Des milliards de ces composants sont fabriqués chaque année. "Nombre de ces capteurs contiennent des matériaux tels que le nickel ou le cobalt", explique le Dr Denys Makarov, chef du département des matériaux et systèmes intelligents à l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR. "Ce sont des matériaux qui peuvent nuire à l'environnement et à la santé s'ils ne sont pas éliminés correctement. Par ailleurs, leur production nécessite souvent des processus à forte consommation d'énergie et des étapes de fabrication complexes.

Le développement de capteurs durables est un défi technique. Bien que le fer soit facilement disponible et biocompatible, il n'atteint pas à lui seul la sensibilité requise pour de nombreux capteurs de champ magnétique actuels. L'équipe de recherche a donc combiné le fer avec de l'oxyde de fer et a développé des particules core-shell spéciales dans lesquelles le noyau de fer est entouré d'une fine couche d'oxyde.

"L'humanité connaît le fer et la cellulose depuis des siècles", explique Lin Guo, qui met en œuvre le projet dans le cadre de sa thèse. "Le défi consiste à mettre au point un capteur utilisable avec ces matériaux durables. Pour ce faire, la composition et le traitement précis des particules sont essentiels. Selon l'équipe, les capteurs imprimés atteignent des niveaux de sensibilité comparables aux solutions commerciales actuelles dans certains domaines.

Les capteurs sont produits par sérigraphie, un procédé plus familier dans l'industrie textile. Au lieu d'enlever une grande surface de matériau, la couche de capteur est appliquée de manière ciblée. Nous n'imprimons les capteurs que là où nous en avons besoin", explique M. Makarov. Cela permet d'économiser non seulement du matériau, mais aussi de l'énergie.

Quand les capteurs peuvent disparaître

La fin de la durée de vie des capteurs a également joué un rôle important dans le développement. Les composants électroniques classiques sont généralement utilisés jusqu'à ce qu'ils se cassent et qu'il faille s'en débarrasser. L'objectif de la présente étude est d'utiliser des matériaux qui peuvent être dégradés ou recyclés en toute sécurité. C'est pourquoi des particules cœur-coquille d'oxyde de fer ont été intégrées dans une matrice de matériaux biocompatibles tels que la cellulose et l'amidon. Une couche de polymères biocompatibles ou de matériaux naturels comme la cire d'abeille protège les capteurs contre l'humidité tout en déterminant leur durée de vie. "En encapsulant les capteurs imprimés, nous pouvons régler la durée de leur stabilité", explique M. Guo. La durée de vie peut être adaptée individuellement à différentes applications. Si la matrice biologique se dissout ensuite dans l'eau, il ne reste plus que des particules de fer oxydées. "C'est essentiellement de la rouille", explique Denys Makarov. Les substances potentiellement toxiques, comme certains composés de nickel et de cobalt, sont intentionnellement exclues du processus.

La technologie nécessaire à la fabrication de capteurs de champ magnétique imprimés a déjà fait l'objet d'une licence. L'équipe travaille à présent sur des applications spécifiques, notamment dans les domaines où les composants électroniques ne sont nécessaires que pendant un certain temps, comme les emballages intelligents, les produits médicaux jetables et les systèmes de capteurs agricoles. Dans ce domaine, les capteurs de champ magnétique durables pourraient, à l'avenir, contribuer à la production d'électronique de manière plus durable.

Parallèlement, l'équipe travaille déjà sur d'autres concepts. Les projets futurs se concentreront, entre autres, sur des encapsulations plus durables, de nouveaux matériaux biocompatibles et l'intégration de capteurs dans des systèmes électroniques flexibles.