(Phys.org) — Des chercheurs de l'Université Purdue développent une méthode pour produire en masse un nouveau type de nanomatériau pour les capteurs et les batteries avancés, avec un œil sur la fabrication dans le Midwest.

Les résultats de la recherche indiquent que le matériau est prometteur en tant que capteur pour détecter le glucose dans la salive ou les larmes et pour les "supercondensateurs" qui pourraient permettre une charge rapide, batteries hautes performances.

Cependant, pour que le matériel soit commercialisé, les chercheurs doivent trouver un moyen de le produire en masse à faible coût.

"C'est une chose de dire que vous avez un nouveau matériau merveilleux, mais pouvez-vous prouver qu'il peut être fabriqué à une échelle commerciale ?", a déclaré Arvind Raman, Robert V. Adams Professeur de génie mécanique. "Dans de nombreux cas, nous constatons que la recherche fondamentale doit être effectuée pour une mise à l'échelle. Vous voulez être en mesure de produire de grandes quantités de matériau à 50 cents par mètre carré."

Maintenant, une équipe de chercheurs Purdue visera à faire exactement cela. Le projet, financé par une subvention de 1,5 million de dollars de la National Science Foundation, se concentre sur la création d'une méthode de nanofabrication « évolutive, " ou capable de produire en série à faible coût.

La technologie sous-jacente a été développée par un groupe de recherche dirigé par Timothy Fisher, le professeur James G. Dwyer en génie mécanique. Il se compose de nanostructures verticales ressemblant à de minuscules pétales de rose faits d'un matériau appelé graphène, qui est un film de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

« En utilisant ces nanopétales de graphène, nous avons obtenu des performances exceptionnelles dans une large gamme d'appareils à l'échelle du laboratoire, " dit Fisher.

Les chercheurs espèrent augmenter la vitesse de production des surfaces revêtues de nanopétales à 10 mètres carrés par heure, ce qui représente une augmentation spectaculaire par rapport au taux de production à l'échelle du laboratoire.

Raman possède une expertise dans la fabrication roll-to-roll, un pilier de nombreuses opérations industrielles, y compris la production de papier et de tôle. Il modélise la mécanique du processus de création de matériaux souples en feuilles à grande vitesse et sous tension.

« Un facteur clé sera les partenaires de l'industrie, " at-il dit. " Il existe de nombreuses industries qui ont des opérations roll-to-roll. Il est donc très stratégique pour le Midwest de se concentrer sur le roll-to-roll comme plate-forme de production de nanomatériaux. »

Il possède également une expertise dans la mesure de précision à l'aide d'un microscope à force atomique.

« Il faut pouvoir mesurer la matière en cours de fabrication, et c'est un défi à cause de l'échelle nanométrique des pétales, " il a dit.

Les nanopétales de graphène se sont également révélés prometteurs en tant que matériau "d'interface thermique" pour empêcher la surchauffe des puces informatiques.

« Une multitude de nouveaux concepts de dispositifs et de matériaux basés sur les nanopétales de graphène émergent dans des applications aussi diverses que les composites en fibre de carbone et les nouveaux matériaux d'interface thermique, " a déclaré Raman. " L'intérêt commercial est extrêmement élevé pour ce nanomatériau de carbone récent. "

Les autres chercheurs clés du projet sont Alina Alexeenko, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique; Alexandre Wei, professeur au Département de chimie; Ernesto E. Marinero, professeur de pratique de l'ingénierie dans les écoles de génie chimique et de génie des matériaux ; et Euiwon Bae, professeur-chercheur en génie mécanique.

Les nanopétales sont créés sous vide en exposant un tissu de fibre de carbone à un plasma à haute énergie qui contient des ions hydrogène et d'autres ingrédients, un processus connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Alexeenko dirigera les travaux de modélisation du réacteur à plasma et d'optimisation de ses conditions pour une conversion rapide et respectueuse de l'environnement des matières premières, comme le méthane et l'hydrogène, en nanopétales de carbone.

Wei fonctionnalisera les pétales avec des nanoparticules métalliques et des enzymes qui reconnaissent le glucose ou d'autres molécules cibles pour la biodétection. Marinero se concentrera sur la fiabilité des dispositifs fabriqués à l'aide du nanomatériau, et Bae s'efforcera d'assurer la bonne taille des pétales en analysant les modèles de diffusion de la lumière à la surface du matériau.

La plupart des recherches seront basées au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue.

« La production à grande échelle est un défi majeur pour les nanotechnologies, " dit Ali Shakouri, Mary Jo et Robert L. Kirk Directeur du Birck Nanotechnology Center et professeur de génie électrique et informatique. "Ce projet NSF fait partie d'une initiative de nanofabrication plus large au Birck Nanotechnology Center où nous nous concentrons sur la production roll-to-roll de films minces intelligents pour des applications en pharmacie et en emballage alimentaire."

Wei a dit, « Le projet représente le front d'un mouvement beaucoup plus large chez Purdue pour mettre en synergie l'expertise de recherche de base en science et en ingénierie d'une manière qui offre aux étudiants diplômés des opportunités de surmonter les défis de la conversion de découvertes de recherche passionnantes en produits pouvant être commercialisés. »

Les technologies développées dans le projet pourraient être commercialisées en collaboration avec une start-up locale, Folium Nanotechnologies LLC, co-fondé par Fisher et Marinero, ainsi que Roche Diagnostics et le Battery Innovation Center. Le centre a été lancé cette année pour tirer parti des actifs des secteurs public et privé de l'Indiana dans les technologies de batteries avancées afin de faciliter la recherche et le développement, prototypage rapide et sous-traitance pour l'industrie, clients académiques et militaires.

"Une série d'ateliers régionaux sur la nanofabrication roll-to-roll sera organisée pour servir de catalyseur à l'innovation dans le Midwest en réunissant les petits, les moyennes et grandes entreprises ainsi que les équipementiers et les chercheurs universitaires, " dit Raman.

La nouvelle technologie pourrait particulièrement intéresser les fabricants de batteries de l'Indiana.

Les chercheurs mettront également à disposition des outils de simulation avancés pour les processus roll-to-roll sous vide. Les outils seront mis à disposition des entreprises via la cyberinfrastructure du HUB de fabrication et du nanoHUB, un site internet interactif qui met à disposition des simulations scientifiques, séminaires, cours interactifs et autres matériaux spécialisés liés aux nanotechnologies.

« Nous éduquerons la main-d'œuvre américaine grâce à un cours en ligne innovant sur la nanofabrication proposé dans le cadre de l'initiative nanoHUB U, " dit Raman.

La recherche a le potentiel d'avoir un large impact.

« De nombreux résultats de cette recherche ne sont pas uniquement applicables à la technologie des nanopétales de graphène, mais plutôt à une grande variété de nanomatériaux fabriqués dans des procédés de nanofabrication roll-to-roll à basse pression et ambiante, " il a dit.