Le cerveau est mou et l'électronique est raide, ce qui peut rendre difficile la combinaison des deux, comme lorsque les neuroscientifiques implantent des électrodes pour mesurer l'activité cérébrale et peut-être fournir de minuscules secousses électriques pour soulager la douleur ou à d'autres fins.

L'ingénieur chimiste Zhenan Bao essaie de changer cela. Depuis plus d'une décennie, son laboratoire a travaillé pour rendre l'électronique douce et flexible afin qu'elle se sente et fonctionne presque comme une seconde peau. Le long du chemin, l'équipe a commencé à se concentrer sur la fabrication de plastiques fragiles qui peuvent conduire l'électricité plus élastique.

Maintenant en Avancées scientifiques , L'équipe de Bao décrit comment ils ont pris un tel plastique cassant et l'ont modifié chimiquement pour le rendre aussi flexible qu'un élastique, tout en améliorant légèrement sa conductivité électrique. Le résultat est un doux, électrode souple compatible avec nos nerfs souples et sensibles.

"Cette électrode flexible ouvre de nombreuses nouvelles, des possibilités passionnantes à venir pour les interfaces cérébrales et autres appareils électroniques implantables, " dit Bao, professeur de génie chimique. "Ici, nous avons un nouveau matériau avec des performances électriques sans compromis et une extensibilité élevée."

Le matériau est encore un prototype de laboratoire, mais l'équipe espère le développer dans le cadre de leur objectif à long terme de créer des matériaux flexibles qui s'interfacent avec le corps humain.

Interface flexible

Les électrodes sont fondamentales en électronique. Conduire l'électricité, ces fils transportent des signaux de va-et-vient qui permettent aux différents composants d'un appareil de fonctionner ensemble. Dans nos cerveaux, des fibres filiformes spéciales appelées axones jouent un rôle similaire, transmettre des impulsions électriques entre les neurones. Le plastique extensible de Bao est conçu pour établir une connexion plus transparente entre le monde rigide de l'électronique et les électrodes organiques flexibles de notre corps.

"Une chose à propos du cerveau humain que beaucoup de gens ne savent pas, c'est qu'il change de volume tout au long de la journée, " déclare Yue Wang, chercheur postdoctoral, le premier auteur sur le papier. "Ça gonfle et gonfle." La génération actuelle d'implants électroniques ne peut pas s'étirer et se contracter avec le cerveau et compliquer le maintien d'une bonne connexion.

"Si nous avons une électrode avec une douceur similaire à celle du cerveau, il formera une meilleure interface, " dit Wang.

Pour créer cette électrode flexible, les chercheurs sont partis d'un plastique qui avait deux qualités essentielles :haute conductivité et biocompatibilité, ce qui signifie qu'il pourrait être mis en contact en toute sécurité avec le corps humain. Mais ce plastique avait un défaut :il était très cassant. L'étirer même 5 pour cent le casserait.

Bien enroulé et cassant

Comme Bao et son équipe cherchaient à préserver la conductivité tout en ajoutant de la flexibilité, ils ont travaillé avec des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory pour utiliser un type spécial de rayons X pour étudier ce matériau au niveau moléculaire. Tous les plastiques sont des polymères; C'est, chaînes de molécules enfilées comme des perles. Le plastique de cette expérience était en fait composé de deux polymères différents étroitement enroulés ensemble. L'un était le conducteur électrique. L'autre polymère était essentiel au processus de fabrication du plastique. Lorsque ces deux polymères se sont combinés, ils ont créé un plastique qui ressemblait à une ficelle cassante, structures en forme de sphère. C'était conducteur, mais pas souple.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que s'ils pouvaient trouver le bon additif moléculaire pour séparer ces deux polymères étroitement enroulés, ils pourraient empêcher cette cristallisation et donner au plastique plus d'étirement. Mais ils devaient être prudents – ajouter du matériau à un conducteur affaiblit généralement sa capacité à transmettre des signaux électriques.

Après avoir testé plus de 20 additifs moléculaires différents, ils ont finalement trouvé celui qui a fait l'affaire. C'était une molécule similaire au genre d'additifs utilisés pour épaissir les soupes dans les cuisines industrielles. Cet additif a transformé la structure moléculaire épaisse et cassante du plastique en un motif en résille avec des trous dans les brins pour permettre au matériau de s'étirer et de se déformer. Lorsqu'ils ont testé l'élasticité de leur nouveau matériau, ils ont été ravis de constater qu'il devenait légèrement plus conducteur lorsqu'il était étiré au double de sa longueur d'origine. Le plastique est resté très conducteur même lorsqu'il a été étiré à 800 pour cent de sa longueur d'origine.

"Nous pensions que si nous ajoutions un matériau isolant, nous aurions une très mauvaise conductivité, surtout quand on en rajoute autant, " a déclaré Bao. Mais grâce à leur compréhension précise de la façon de régler l'assemblage moléculaire, les chercheurs ont obtenu le meilleur des deux mondes :la conductivité la plus élevée possible pour le plastique tout en le transformant en une substance très robuste et extensible.

"En comprenant l'interaction au niveau moléculaire, nous pouvons développer des appareils électroniques doux et extensibles comme la peau, tout en restant conducteur, " dit Wang.