Étirement et torsion des capteurs de contrainte ultra-sensibles. Crédit :Université du Sussex
Les physiciens ont créé le capteur de contrainte le plus sensible jamais conçu, capable de détecter le toucher d'une plume.
Le capteur, développé par le Materials Physics Group de l'Université du Sussex, peut étirer jusqu'à 80 fois plus de contraintes que les jauges de contrainte actuellement sur le marché et montrer des changements de résistance 100 fois plus élevés que les matériaux les plus sensibles en recherche et développement.
L'équipe de recherche pense que les capteurs pourraient apporter de nouveaux niveaux de sensibilité à la technologie portable mesurant les signes vitaux des patients et aux systèmes de surveillance de l'intégrité structurelle des bâtiments et des ponts.
Marcus O'Mara, de l'École des sciences mathématiques et physiques de l'Université du Sussex, a déclaré:"" La prochaine vague de technologie de détection de contrainte utilise des matériaux élastiques comme le caoutchouc imprégnés de matériaux conducteurs tels que le graphène ou les nanoparticules d'argent, et est en développement depuis plus d'une décennie maintenant.
"Nous pensons que ces capteurs sont un grand pas en avant. Par rapport aux capteurs de contrainte linéaires et non linéaires référencés dans la littérature scientifique, nos capteurs présentent le plus grand changement absolu de résistance jamais signalé."
Alain Dalton, Professeur de physique expérimentale à l'Université du Sussex, a déclaré :« Cette technologie prometteuse peut s'avérer particulièrement utile dans des domaines établis tels que les soins de santé, surveillance des performances sportives et domaines en croissance rapide tels que la robotique douce.
Image de microscopie électronique à balayage (MEB) de billes G sous fort grossissement. Crédit :Université du Sussex
"Notre recherche s'est développée à bas prix, des dispositifs de surveillance de la santé évolutifs qui peuvent être calibrés pour tout mesurer, du mouvement des articulations humaines à la surveillance des signes vitaux. Plusieurs dispositifs peuvent être utilisés sur le corps d'un patient, connectés sans fil et communiquant ensemble pour fournir un live, diagnostics de santé mobiles à une fraction du coût actuel."
Le nouveau papier, publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés , détaille le processus d'incorporation de grandes quantités de nanofeuillets de graphène dans une matrice PDMS de manière structurée, mode contrôlable qui se traduit par d'excellentes propriétés électromécaniques.
Les auteurs affirment que la méthode a le potentiel d'être étendue à une large gamme de matériaux stratifiés bidimensionnels et de matrices polymères. Les capteurs offrent une conductivité considérablement améliorée à tous les niveaux de charge mesurés sans seuil de percolation apparent.
Les appareils de mesure commerciaux souffrent d'une sensibilité et d'une plage de contrainte relativement faibles, avec des facteurs de jauge allant de 2 à 5 et des déformations maximales de 5 % ou moins, entraînant une augmentation de la résistance de moins de 25 % et empêchant la détection de haute tension requise pour la surveillance des mouvements corporels.
Les nouveaux capteurs sont capables de détecter des contraintes inférieures à 0,1%, en raison de leur facteur de jauge plus élevé de ~20, et jusqu'à 80% de déformation, où la réponse exponentielle conduit à un changement de résistance d'un facteur de plus d'un million.
Cela permet à la fois une détection à haute sensibilité et à faible tension pour la surveillance du pouls et une mesure à haute tension du mouvement de la poitrine et de la flexion des articulations en raison du changement de résistance record.
Photographie de G-balls reposant dans un flacon en verre. Chaque boule a un noyau souple en polydiméthylsiloxane (PDMS) et est recouverte de feuilles microscopiques de graphène. Crédit :Université du Sussex
Dr Sean Ogilvie, Chercheur en physique des matériaux à l'Université du Sussex, a déclaré : "Capteurs de contrainte commerciaux, généralement basé sur des jauges à feuille métallique, privilégiez la précision et la fiabilité à la sensibilité et à la plage de déformation. Les nanocomposites sont des candidats intéressants pour les capteurs de contrainte de nouvelle génération en raison de leur élasticité, mais l'adoption généralisée par l'industrie a été entravée par des effets non linéaires tels que l'hystérésis et le fluage en raison de la nature liquide des polymères à l'échelle nanométrique qui rend précis, les lectures de contrainte reproductibles sont un défi permanent.
"Nos capteurs s'installent dans une répétition, modèle prévisible, ce qui signifie que nous pouvons toujours extraire une lecture précise de la contrainte malgré ces effets. »
Le travail a été rendu possible grâce au soutien de la société américaine de caoutchouc Alliance.
Jason Risner, V.P. des Ventes &Marketing chez Alliance, a déclaré :« Alliance a une longue histoire d'innovation et il est vital pour nous de jouer un rôle actif dans la technologie de pointe du caoutchouc qui utilise un nanomatériau perturbateur comme le graphène. Il est essentiel que nous nous associions à des leaders scientifiques comme le professeur Alan Dalton à l'Université du Sussex.
"Nous sommes ravis de voir les produits qui pourraient potentiellement découler de notre partenariat. Le graphène est un matériau étonnant qui peut révolutionner nos vies. Notre entreprise est fière d'être à la pointe de quelque chose d'aussi nouveau."
