Des senseurs de température organiques, biomimétiques et flexibles
On a envisagé depuis longtemps d’utiliser des senseurs thermiques organiques pour la robotique, la surveillance à distance de patients, et pour des applications propres à l’environnement et à l’industrie.
Mais les faibles performances de ces dispositifs conduisaient à devoir leur rajouter des éléments minéraux en particulier du Si au prix d’une fabrication et d’une architecture très complexes.
Des chercheurs du California Institute Technology, Pasadena,USA, et du Samsung Advanced Institute of Technology, Suwon, Corée du Sud ont cherché à obtenir des matériaux nouveaux présentant forte réponse thermique, flexibilité et reproductibilité.
Leur approche a été biomimétique : en s’inspirant de structures observées dans la matière biologique, ils les ont reproduites dans des matériaux synthétiques.
De récentes recherches avaient montré que la pectine présentait une forte réponse à la température.
La pectine est une substance mucilagineuse présente dans les fruits et légumes. C’est un polysaccharide, polymère d’acide α-D-galacturonique d’architecture représentée ci-dessous :
Wikipedia
La figure 1 ci-après schématise la structure de la paroi d’une cellule de plante ainsi que celle de la pectine dont le squelette formé par 2 chaînes d’acides galacturoniques crée des « nids » dans lesquels sont encapsulés des cations Ca2+ liés à la pectine.
Fig.1. Illustration schématique de la structure de la paroi d’une cellule et de la pectine d’une plante
En haut, on voit la paroi en pectine d’une cellule végétale. Elle est constituée d’un squelette en polymère formant des “ niches ” contenant des cations dont le mouvement peut assurer la conduction électrique.
Tiré de Flexible biomimetic block copolymer composite for temperature and long-wave infrared sensing Tae Hyun Kim, Zhun Zhou, Yeong Suk Choi, Vincenzo Costanza , Linghui Wang, Joong Hwan Bahng, Nicholas J. Higdon, Youngjun Yun , Hyunbum Kang, Sunghan Kim , Chiara Daraio Science Advances 9, eade0423 (2023) 10 February 2023 CC BY-NC
Si la température s’élève, cela entraîne une augmentation exponentielle de la conduction ionique de la pectine réticulée avec les ions Ca2+.
Mais alors qu’on trouve la pectine dans de nombreuses écorces ou peaux de fruits, sa composition chimique est influencée par le climat, l’origine des plantes et la méthode d’extraction utilisée. D’où des propriétés électroniques peu reproductibles et une faible stabilité des dispositifs fabriqués avec celle-ci.
C’est pour cela que les scientifiques ont choisi de synthétiser un nouveau polymère flexible, biomimétique, senseur de température (BST) qui émule la structure de la pectine et les motifs fonctionnels de celle-ci.
Ce polymère BST (Fig.2. ci-dessous) a une sensibilité à la température très élevée tout en étant mécaniquement robuste et flexible. C’est un copolymère, c’est à dire formé de deux types de monomères différents, ici les blocs “ A ” et “ B ”.
La structure complexe de la pectine y a été réduite à un squelette plus simple supportant un minimum d’éléments nécessaires aux fonctions chimiques désirées. Les blocs “ A ” de l’architecture ont une sensibilité à la température semblable à celle de la pectine. Les blocs “ B ”, eux apportent flexibilité mécanique et élasticité au polymère.
Fig.2 . Schéma d’un copolymère avec 2 sortes de blocs.
Le bloc hydrophile “ A ”, riche en groupes carboxyle (red) et hydroxyles (bleu) va intéragir électrostatiquement avec des cations métalliques. Le bloc hydrophobe B (composé de poly(n-butylacrylate) va doter le réseau de flexibilité mécanique et d’extensibilité. Comme le montre la figure en bas à droite, le polymère synthétisé existe dans un état colloïdal dans l’éthanol.
Tiré de Flexible biomimetic block copolymer composite for temperature and long-wave infrared sensing Tae Hyun Kim, Zhun Zhou, Yeong Suk Choi, Vincenzo Costanza , Linghui Wang, Joong Hwan Bahng, Nicholas J. Higdon, Youngjun Yun , Hyunbum Kang, Sunghan Kim , Chiara Daraio Science Advances 9, eade0423 (2023) 10 February 2023 CC BY-NC »
La figure 3 présente en a), en haut, une explication de la réponse en température d’un bloc “ A ” : l’augmentation de celle-ci entraîne un affaiblissement des puits de potentiels dans lesquels sont confinés des ions métalliques, facilitant ainsi leur déplacement et donc la conduction électrique. La photographie, en b), illustre la flexibilité mécanique et l’étirabilité du copolymère, (à droite), comparées aux mêmes propriétés de la pectine (à gauche).
Fig.3. Réponse en température du bloc A du copolymère et comparaison des propriétés mécaniques du copolymère et de la pectine
a) Mécanisme de la réponse en température du bloc A : la déformation des puits de potentiel (en haut) avec la température facilite la migration, sous l’effet d’un champ électrique, des ions à travers les canaux hydrophiles du bloc A (en bas).
b) Flexibilité mécanique et étirabilité du copolymère synthétique. A gauche, le film de pectine se déchire après une légère traction et torsion, tandis qu’adroite, le copolymère résiste à des mouvements répétés de torsion et d’extension grâce aux propriétés du bloc B. Le polymère est ici étiré à 300% de sa forme originale.
Tiré de Flexible biomimetic block copolymer composite for temperature and long-wave infrared sensing Tae Hyun Kim, Zhun Zhou, Yeong Suk Choi, Vincenzo Costanza , Linghui Wang, Joong Hwan Bahng, Nicholas J. Higdon, Youngjun Yun , Hyunbum Kang, Sunghan Kim , Chiara Daraio
Science Advances 9, eade0423 (2023) 10 February 2023 CC BY-NC
La vidéo suivante illustre la réponse en température du copolymère contenant le bloc“ A ” . La présence de la main de l’opérateur chauffant au-dessus de la température ambiante l’échantillon entraîne une augmentation de conductivité électrique, donc du courant. Lorsque la main est isolée thermiquement par un papier d’aluminium qui bloque l’infrarouge, le courant garde sa valeur origine.
Réponse en température du copolymère
Vidéo tirée de Flexible biomimetic block copolymer composite for temperature and long-wave infrared sensing Tae Hyun Kim, Zhun Zhou, Yeong Suk Choi, Vincenzo Costanza , Linghui Wang, Joong Hwan Bahng, Nicholas J. Higdon, Youngjun Yun , Hyunbum Kang, Sunghan Kim , Chiara Daraio. Science Advances 9, eade0423 (2023) 10 February 2023 CC BY-NC
Ce copolymère de blocs inspiré par les motifs fonctionnels du complexe pectine-Ca2+ présente une réponse à la température extrêmement élevée avec une résolution inférieure à 10 mK. On peut encore améliorer ce résultat en perfectionnant l’architecture du polymère et de ses chaînes latérales pour, par exemple, augmenter sa conductivité électrique, son temps de réponse ou son spectre d’absorption infrarouge.
Ce matériau est stable durant de nombreux cycles et insensible aux contraintes mécaniques. Ces qualités lui promettent d’intéressantes applications dans le domaine médical pour le suivi continu et non invasif de faibles stress thermiques dus à des perturbations de l’homéostase, à l’infection, aux inflammations, au stress mental ou au manque de sommeil.
Ces senseurs BST s’ajoutent aux réalisations actuelles d’électronique tout organique qui devraient demain supplanter en de nombreux domaines l’électronique dont les composants sont à base de minéraux.
Pour en savoir plus :
