Les nanofibres – des brins de matériau de quelques centaines de nanomètres de diamètre seulement – ​​ont une vaste gamme d'applications possibles :échafaudages pour organes issus de la bio-ingénierie, filtres à air et à eau ultrafins, et gilet pare-balles léger en Kevlar, pour en nommer quelques uns. Mais si loin, le coût de leur production les a relégués à quelques hauts de gamme, applications de niche.

Luis Velásquez-García, chercheur principal au Microsystems Technology Laboratories du MIT, et son groupe espèrent changer cela. Lors de l'atelier international sur les micro et nanotechnologies pour les applications de production d'électricité et de conversion d'énergie en décembre, Velásquez-García, son élève Philippe Ponce de Léon, et Frances Hill, un post-doctorant dans son groupe, décrira un nouveau système de filage de nanofibres qui devrait offrir des augmentations de productivité significatives tout en réduisant drastiquement la consommation d'énergie.

En utilisant des techniques de fabrication courantes dans l'industrie des puces électroniques, les chercheurs de MTL ont construit un réseau d'embouts coniques d'un centimètre carré, qu'ils ont plongés dans un fluide contenant un plastique dissous. Ils ont ensuite appliqué une tension au réseau, produisant un champ électrostatique qui est le plus fort aux extrémités des cônes. Dans une technique connue sous le nom d'électrofilage, les cônes éjectent le plastique dissous sous la forme d'un flux qui se solidifie en une fibre de seulement 220 nanomètres de diamètre.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un ensemble de cônes de cinq par cinq, ce qui permet déjà de multiplier par sept la productivité par centimètre carré par rapport aux meilleures méthodes existantes. Mais, Velásquez-García dit, il devrait être relativement simple d'emballer plus de cônes sur une puce, augmenter encore plus la productivité. En effet, il dit, dans des travaux antérieurs sur une technique similaire appelée électrospray, son laboratoire a pu entasser près d'un millier d'émetteurs dans un seul centimètre carré. Et plusieurs matrices pourraient être combinées dans un panneau pour augmenter encore les rendements.

Surfaces, de zéro

Parce que le nouveau document a été préparé pour une conférence sur l'énergie, il se concentre sur les applications énergétiques. Mais les nanofibres pourraient être utiles pour tout appareil qui doit maximiser le rapport surface/volume, dit Velásquez-García. Les condensateurs, composants de circuit qui stockent l'électricité, en sont un exemple, car la capacité évolue avec la surface. Les électrodes utilisées dans les piles à combustible en sont un autre, car plus la surface des électrodes est grande, plus ils catalysent efficacement les réactions qui animent la cellule. Mais presque tous les procédés chimiques peuvent bénéficier de l'augmentation de la surface des catalyseurs, et l'augmentation de la surface des échafaudages d'organes artificiels donne aux cellules plus de points d'adhésion.

Une autre application prometteuse des nanofibres réside dans les mailles si fines qu'elles ne laissent passer que des particules nanométriques. L'exemple du nouveau document vient encore de la recherche énergétique :les membranes qui séparent les moitiés d'une pile à combustible. Mais des mailles similaires pourraient être utilisées pour filtrer l'eau. De telles applications, Velásquez-García dit, dépendent essentiellement de la constance du diamètre des fibres, un autre aspect dans lequel la nouvelle technique offre des avantages par rapport à ses prédécesseurs.

Les techniques d'électrofilage existantes reposent généralement sur de minuscules buses, à travers lequel le polymère dissous est forcé. Des variations dans les conditions de fonctionnement et dans la forme des buses peuvent entraîner une variation importante du diamètre des fibres, et l'hydraulique des buses signifie qu'elles ne peuvent pas être emballées aussi étroitement ensemble. Quelques fabricants ont développé des dispositifs de filage de fibres qui utilisent des champs électrostatiques, mais leurs émetteurs sont fabriqués à l'aide de procédés beaucoup plus grossiers que les techniques de fabrication de puces exploitées par les chercheurs de MTL. En conséquence, non seulement les réseaux de pointes sont beaucoup moins denses, mais les appareils consomment plus d'énergie.

"Le champ électrostatique est renforcé si le diamètre de la pointe est plus petit, " Velásquez-García dit. "Si vous avez des conseils de, dire, diamètre millimétrique, alors si vous appliquez assez de tension, vous pouvez déclencher l'ionisation du liquide et essorer les fibres. Mais si vous pouvez les rendre plus nets, alors vous avez besoin de beaucoup moins de tension pour obtenir le même résultat."

Osier méchant

L'utilisation de technologies de microfabrication a non seulement permis aux chercheurs de MTL de resserrer leurs cônes et d'affûter leurs pointes, mais cela leur a également donné un contrôle beaucoup plus précis de la structure des surfaces des cônes. En effet, les côtés des cônes ont une texture bosselée qui aide les cônes à évacuer le fluide dans lequel le polymère est dissous. Dans les expériences en cours, les chercheurs ont également recouvert les cônes de ce que Velásquez-García décrit comme une "laine" de nanotubes de carbone, qui devrait mieux fonctionner avec certains types de matériaux.

En effet, Velásquez-García dit, les résultats de son groupe dépendent non seulement de la conception des émetteurs eux-mêmes, mais sur un équilibre précis entre la structure des cônes et leur revêtement texturé, la force du champ électrostatique, et la composition du bain fluide dans lequel sont immergés les cônes.

"Fabriquer des émetteurs exactement identiques en parallèle avec une grande précision et beaucoup de débit, c'est leur principale contribution, À mon avis, " dit Antonio Luque Estepa, professeur agrégé de génie électrique à l'Université de Séville, spécialisé dans le dépôt par électropulvérisation et l'électrofilage. "Fabriquer un est facile. Mais 100 ou 1, 000 d'entre eux, ce n'est pas si facile. Souvent, il y a des problèmes d'interactions entre une sortie et la sortie à côté."

La technique de microfabrication employée par le groupe Velásquez-García, Luque ajoute, "ne limite pas le nombre de sorties qu'ils peuvent intégrer sur une seule puce." Bien que la mesure dans laquelle le groupe peut augmenter la densité d'émetteurs reste à voir, Luque dit, il est convaincu qu'"ils peuvent décupler ce qui est disponible actuellement".

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.