Selon une équipe de recherche internationale dirigée par l'État de Pennsylvanie, le graphène, composé d'atomes de carbone disposés de manière hexagonale en une seule couche et présentant une souplesse supérieure et une conductivité élevée, pourrait faire progresser l'électronique flexible. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor au département des sciences de l'ingénierie et de la mécanique (ESM) de Penn State, dirige cette collaboration qui a récemment publié deux études susceptibles d'éclairer la recherche et le développement de futurs dispositifs de détection de mouvement, de détection tactile et de surveillance de la santé.
Étude de l'influence du traitement au laser sur la forme et la fonction du graphène
Plusieurs substances peuvent être converties en carbone pour créer du graphène grâce au rayonnement laser. Appelé graphène induit par laser (LIG), le produit résultant peut avoir des propriétés spécifiques déterminées par le matériau d'origine. L'équipe a testé ce procédé et ses résultats ont été mis en ligne avant publication dans la revue SCIENCE CHINA Technological Sciences "Effects of laser processing parameters on properties of laser-induced graphene by irradiating CO2 laser on polyimide".
Des échantillons de polyimide, un type de plastique, ont été irradiés par balayage laser. Les chercheurs ont fait varier la puissance, la vitesse de balayage, le nombre de passages et la densité des lignes de balayage. "Nous voulions examiner comment différents paramètres du processus de traitement au laser créent différentes nanostructures", a déclaré Cheng. "La variation de la puissance nous a permis de créer des LIG soit dans une structure de fibre, soit dans une structure de mousse".
Les chercheurs ont constaté que des niveaux de puissance plus faibles, de 7,2 watts à environ 9 watts, entraînaient la formation d'une mousse poreuse comportant de nombreuses couches ultrafines. Cette mousse LIG présentait une conductivité électrique et une bonne résistance aux dommages causés par la chaleur, deux propriétés utiles pour les composants des appareils électroniques.
L'augmentation de la puissance d'environ 9 watts à 12,6 watts a modifié le modèle de formation du GAL, passant de la mousse à des faisceaux de petites fibres. Le diamètre de ces faisceaux augmentait avec la puissance du laser, tandis qu'une puissance plus élevée favorisait la croissance d'un réseau de fibres en forme de toile. La structure fibreuse présentait une meilleure conductivité électrique que la mousse. Selon Cheng, cette performance accrue, combinée à la forme de la fibre, pourrait ouvrir des possibilités pour les dispositifs de détection.
"En général, il s'agit d'une structure conductrice que nous pouvons utiliser pour construire d'autres composants", a déclaré Cheng. "Tant que la fibre est conductrice, nous pouvons l'utiliser comme un échafaudage et effectuer un grand nombre de modifications ultérieures sur la surface pour permettre la mise en place d'un certain nombre de capteurs, tels qu'un capteur de glucose sur la peau ou un détecteur d'infection pour les plaies "La variation de la vitesse de balayage laser, de la densité et des passages pour le LIG formé à différentes puissances a également influencé la conductivité et les performances ultérieures. Une plus grande exposition au laser a entraîné une conductivité plus élevée, mais elle a fini par chuter en raison d'une carbonisation excessive due à la combustion.
Démonstration d'un capteur LIG à faible coût
En s'appuyant sur l'étude précédente, Cheng et son équipe ont entrepris de concevoir, fabriquer et tester un capteur de pression LIG flexible.
"Les capteurs de pression sont très importants", a déclaré Cheng. "Nous pouvons les utiliser non seulement dans les ménages et la fabrication, mais aussi à la surface de la peau pour mesurer de nombreux signaux du corps humain, comme le pouls. Ils peuvent également être utilisés au niveau de l'interface homme-machine pour améliorer les performances des membres prothétiques ou surveiller leurs points d'attache."
L'équipe a testé deux modèles. Pour le premier, ils ont pris en sandwich une fine couche de mousse LIG entre deux couches de polyimide contenant des électrodes en cuivre. Lorsque la pression était appliquée, le GAL générait de l'électricité. Les vides dans la mousse ont réduit le nombre de chemins que l'électricité peut emprunter, ce qui facilite la localisation de la source de pression et semble améliorer la sensibilité aux contacts délicats.
Ce premier modèle, lorsqu'il est fixé au dos de la main ou au doigt, détecte les mouvements de flexion et d'étirement de la main, ainsi que les ondes de percussion, de marée et diastoliques caractéristiques du rythme cardiaque. Selon M. Cheng, cette lecture du pouls pourrait être combinée à celle d'un électrocardiogramme pour permettre de mesurer la pression artérielle sans brassard.
Dans le deuxième modèle, les chercheurs ont incorporé des nanoparticules dans la mousse du GAL. Ces minuscules sphères de disulfure de molybdène, un semi-conducteur qui peut agir comme un conducteur et un isolant, ont amélioré la sensibilité et la résistance de la mousse aux forces physiques. Cette conception a également résisté à un usage répété, montrant des performances presque identiques avant et après près de 10 000 utilisations. Les deux modèles étaient rentables et permettaient une acquisition simple des données, selon M. Cheng.
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