Les chercheurs ont développé un matériau souple et flexible doté d’une durabilité adaptative qui se renforce lors de l’impact, adapté à la technologie portable et aux capteurs médicaux. Crédit : SciTechDaily.com
Un nouveau matériau flexible et conducteur d’électricité imite la force adaptative des boues de fécule de maïs, offrant des applications prometteuses dans la technologie des capteurs portables et médicaux.
Des accidents se produisent tous les jours, et si vous laissez tomber votre montre intelligente ou si elle est très durement touchée, l’appareil ne fonctionnera probablement plus. Mais maintenant, les chercheurs font état d’un matériau souple et flexible doté d’une « durabilité adaptative », ce qui signifie qu’il devient plus résistant lorsqu’il est frappé ou étiré. Le matériau conduit également l’électricité, ce qui le rend idéal pour la prochaine génération de dispositifs portables ou de capteurs médicaux personnalisés.
Les chercheurs ont présenté leurs résultats aujourd’hui lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS). L’ACS printemps 2024 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 17 au 21 mars ; il propose près de 12 000 présentations sur une gamme de sujets scientifiques.
Ce matériau flexible et conducteur a une « durabilité adaptative », ce qui signifie qu’il devient plus résistant lorsqu’il est touché. Crédit : Yue (Jessica) Wang
Inspiration des ingrédients de cuisine
L’inspiration pour ce nouveau matériau est venue d’un mélange couramment utilisé en cuisine : une bouillie de fécule de maïs.
«Lorsque je mélange lentement la fécule de maïs et l’eau, la cuillère bouge facilement», explique Yue (Jessica) Wang, spécialiste des matériaux et chercheuse principale du projet. “Mais si je retire la cuillère et que je poignarde le mélange, la cuillère ne rentre pas. C’est comme si je poignardais une surface dure.” Cette bouillie, qui aide à épaissir les ragoûts et les sauces, a une durabilité adaptative, passant de malléable à forte, en fonction de la force appliquée. L’équipe de Wang a entrepris d’imiter cette propriété dans un matériau conducteur solide.
Le chercheur postdoctoral Di Wu parle d’un matériau polymère qu’il contribue à développer et qui est flexible et devient plus résistant en fonction des mouvements du corps.
Développement du matériel
De nombreux matériaux conducteurs de l’électricité, tels que les métaux, sont durs, rigides ou cassants. Mais les chercheurs ont développé des moyens de créer des versions souples et pliables en utilisant des polymères conjugués – de longues molécules conductrices ressemblant à des spaghettis. Pourtant, la plupart des polymères flexibles se brisent s’ils subissent des impacts répétés, rapides ou importants. Ainsi, l’équipe de Wang de l’Université de Californie à Merced a décidé de sélectionner la bonne combinaison de polymères conjugués pour créer un matériau durable qui imiterait le comportement adaptatif des particules de fécule de maïs dans l’eau.
Initialement, les chercheurs ont fabriqué une solution aqueuse de quatre polymères : un poly(acide 2-acrylamido-2-méthylpropanesulfonique) long et ressemblant à des spaghettis, des molécules de polyaniline plus courtes et une combinaison hautement conductrice connue sous le nom de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate ( PEDOT : PSS). Après avoir étalé une fine couche du mélange et l’avoir séché pour obtenir un film, l’équipe a testé les propriétés mécaniques du matériau extensible.
Améliorer les propriétés des matériaux
Ils ont constaté qu’au lieu de se briser sous l’effet d’impacts très rapides, il se déformait ou s’étirait. Plus l’impact est rapide, plus le film devient extensible et résistant. Et étonnamment, seulement un ajout de 10 % de PEDOT:PSS a amélioré à la fois la conductivité et la durabilité adaptative du matériau. Wang note que ce résultat était inattendu car, à eux seuls, le PEDOT et le PSS ne deviennent pas plus résistants avec des impacts rapides ou élevés.
Les quatre polymères, deux avec des charges positives et deux avec des charges négatives, s’emmêlent comme un grand bol de spaghetti et de boulettes de viande, explique Di Wu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wang qui présente les travaux lors de la réunion. “Comme les molécules chargées positivement n’aiment pas l’eau, elles s’agrègent en microstructures ressemblant à des boulettes de viande”, explique Wu. L’hypothèse de l’équipe est que le comportement adaptatif vient du fait que les boulettes de viande absorbent l’énergie d’un impact et s’aplatissent lorsqu’elles sont frappées, mais ne se séparent pas complètement.
Cependant, Wu voulait voir comment l’ajout de petites molécules pourrait créer un matériau composite encore plus résistant lorsqu’il était étiré ou tombé rapidement. Comme tous les polymères avaient des charges, l’équipe a choisi des molécules à tester avec des charges positives, négatives ou neutres. Ils ont ensuite évalué comment les additifs modifiaient les interactions des polymères et impactaient la durabilité adaptative de chaque matériau.
Les résultats préliminaires ont indiqué que les nanoparticules chargées positivement constituées de 1,3-propanediamine constituaient le meilleur additif, conférant la fonctionnalité la plus adaptative. Wu dit que cet additif a affaibli les interactions des polymères qui forment les « boulettes de viande », les rendant plus faciles à séparer et à déformer lorsqu’ils sont frappés, et a renforcé les « ficelles de spaghetti » étroitement enchevêtrées. “L’ajout de molécules chargées positivement à notre matériau l’a rendu encore plus résistant à des taux d’étirement plus élevés”, explique Wu.
Applications avancées et travaux futurs
À l’avenir, dit Wang, l’équipe s’attachera à démontrer l’applicabilité de son matériau conducteur léger. Les possibilités incluent des appareils portables souples, tels que des bracelets intégrés et des capteurs arrière pour les montres intelligentes, et des appareils électroniques flexibles pour la surveillance de la santé, tels que des capteurs cardiovasculaires ou des glucomètres en continu. De plus, l’équipe a formulé une version précédente du matériau adaptatif pour l’impression 3D et produit une réplique de la main d’un membre de l’équipe, démontrant ainsi l’incorporation potentielle dans des prothèses électroniques personnalisées. Wang pense que la nouvelle version composite devrait également être compatible avec l’impression 3D pour créer la forme souhaitée.
La durabilité adaptative du matériau signifie que les futurs dispositifs de biocapteurs pourraient être suffisamment flexibles pour les mouvements humains réguliers, mais résister aux dommages s’ils sont accidentellement heurtés ou frappés durement, explique Wang. « Il existe un certain nombre d’applications potentielles et nous sommes impatients de voir où cette nouvelle propriété non conventionnelle nous mènera. »
Titre
Effet des additifs sur les polymères conducteurs adaptatifs au taux de déformation
Abstrait
Les propriétés adaptatives au taux de déformation confèrent aux matériaux polymères une résistance, un allongement à la rupture et une ténacité plus élevés sous un impact plus rapide. Un système polymère conducteur se compose de deux complexes polyélectrolytes, polyaniline:poly(acide 2-acrylamido-2-méthyl-1-propanesulfonique (PANI:PAMPSA) et poly(3,4-éthylènedioxythiophène):polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS), ainsi que avec 35 % en poids d’acide propanesulfonique (PSA) et 10 % en poids d’eau comme plastifiants, a montré un comportement adaptatif au taux de déformation. Nos travaux précédents suggéraient que le comportement adaptatif est probablement dû à la désintégration des micelles formées par le PANI hydrophobe et le PAMPSA hydrophile sous des conditions rapides. taux de déformation, tandis que l’additif (c’est-à-dire le PSA) est supposé ajuster le comportement adaptatif en affectant la formation de micelles. Pour déchiffrer complètement le rôle des additifs, le même système polyélectrolytique contenant du PSA chargé négativement et de la 1,3-propanediamine chargée positivement. (13DA) ou du glycérol neutre (Gly) ont été étudiés. Bien que le comportement adaptatif du taux ait été confirmé par des tests de traction sur les échantillons avec les trois additifs, le 13DA a montré la plus grande amélioration du module d’Young, de la résistance à la traction, de l’allongement à la rupture et ténacité à des taux de déformation plus élevés. Des études de cisaillement oscillatoire et de relaxation de contrainte révèlent que le comportement adaptatif du taux de déformation provient des réseaux transitoires formés par l’agglomération de segments hydrophobes PANI et PEODT dans nos matériaux. L’additif basique chargé positivement, 13DA, pourrait faciliter davantage la formation de réseaux en criblant les interactions polyélectrolytiques et en reliant les polyanions. Cette étude met en lumière le mécanisme du comportement adaptatif au taux de déformation dans ce système polymère modèle et peut potentiellement être appliquée à la fabrication d’autres matériaux polymères nouveaux et robustes.
La recherche a été financée par l’Université de Californie, Merced ; une subvention CAREER de la National Science Foundation ; et un prix de jeune chercheur de la Fondation Arnold et Mabel Beckman.
2024-03-31 14:33:22
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