Les ingénieurs de l'UD sont les principaux inventeurs d'un nouveau brevet pour la fabrication de dispositifs piézoélectriques, tels que des capteurs et des actionneurs, utilisant Nodax, un polymère biodégradable d'origine biologique.
Chaque année, plus de 400 millions de tonnes de plastique sont fabriquées, y compris des articles à usage unique tels que des sacs de courses et des gobelets. Étant donné que ces matériaux peuvent atteindre l'environnement sans se dégrader pendant une longue période, les chercheurs et les entreprises recherchent des matériaux offrant des propriétés physiques similaires à celles des plastiques conventionnels, mais qui se biodégraderont rapidement et ne causeront pas de dommages aux plantes et aux animaux.
Un polymère inventé, conçu et synthétisé chimiquement par Isao Noda, professeur affilié au Département de science et d'ingénierie des matériaux du College of Engineering de l'UD, est l'un de ces matériaux alternatifs biosourcés et biodégradables. Grâce à une collaboration continue avec John Rabolt, professeur Karl W. et Renate Böer en science et ingénierie des matériaux, ce polymère s'est avéré posséder des propriétés piézoélectriques étonnamment élevées, ce qui signifie qu'il est capable de produire de l'électricité lorsqu'il est plié ou déformé.
Aujourd'hui, l'équipe de recherche basée à l'UD a obtenu un brevet américain pour l'utilisation de ce matériau innovant pour produire des dispositifs piézoélectriques. Outre les brevets déjà délivrés dans plusieurs autres pays, cette réalisation ouvre la voie à un large éventail d'applications potentielles et d'opportunités de commercialisation.
Alors qu'elle travaillait comme scientifique industrielle chez Procter &Gamble, Noda a été chargée de trouver un nouveau type de matériau biodégradable pour les couches et les emballages jetables. Il a commencé à étudier une classe de polymères appelés polyhydroxyalcanoates (PHA), un type de polyester naturel fabriqué par des bactéries et d'autres micro-organismes et plantes.
Le problème, a expliqué Noda, était que les PHA connus à l'époque étaient trop durs et cassants pour être utiles dans la plupart des applications pratiques.
"Je faisais beaucoup de caractérisation spectroscopique et j'ai réalisé que nous devrions être capables de trouver des bactéries capables de modifier la structure moléculaire des PHA d'une manière particulière", a expliqué Noda, faisant référence à la longueur de la chaîne du groupe latéral alkyle du polymère.
"Ces branches peuvent être méthyle ou éthyle, qui ne peuvent pas être facilement fondues ou traitées. Mais, lorsque vous étendez cette branche à trois carbones, c'est-à-dire propyle, ou même plus, le matériau peut soudainement être traité plus facilement et devient un matériau ductile. , polymère résistant et utile."
Ce polymère biodégradable, sous le nom commercial Nodax, est aujourd'hui fabriqué à l'échelle industrielle par Danimer Scientific, une société de biotechnologie axée sur la création de matériaux alternatifs durables pour remplacer les plastiques conventionnels. UD a également un partenariat continu avec Danimer, qui a soutenu les récents efforts de demande de brevet.
Contrairement à la façon dont les plastiques standards sont fabriqués, Nodax est fabriqué dans de grands réservoirs par des bactéries utilisant des matières premières d'origine végétale. Les polymères Nodax formulés sont ensuite achetés par d'autres sociétés pour fabriquer une variété de produits finaux, avec des taux de biodégradation similaires à ceux de la cellulose ou des déchets alimentaires.
« Danimer Scientific a été pionnier dans la production commerciale de PHA d'origine naturelle, proposant des matériaux renouvelables et entièrement certifiés biodégradables et compostables pour de nombreuses applications différentes de restauration et d'emballage, telles que les pailles, les couverts, les revêtements de papier, les dosettes de café et les films flexibles », a déclaré Keith A. . Edwards, vice-président du développement commercial chez Danimer.
Découvrir de nouvelles propriétés grâce à la recherche fondamentale
Mais le travail ne s'est pas arrêté une fois que les biopolymères Nodax ont été produits à grande échelle. Après avoir donné une conférence invitée à l'UD en 2012, Noda a rencontré son collègue de longue date Rabolt et a décidé de transférer une partie du matériel qu'il avait accumulé au fil des ans pour soutenir de nouvelles voies de recherche fondamentale. Noda, qui a également été vice-président senior de Danimer Scientific de 2013 à 2019 et siège toujours à son conseil d'administration, a rejoint l'UD en tant que membre affilié du corps professoral en 2012.
Avec les efforts dirigés par le doctorat. les anciens élèves Liang Gong (maintenant chez 3M), Brian Sobieski (maintenant chez FXI), Changhao Liu (maintenant chez A123 Systems) et le professeur de recherche en science et ingénierie des matériaux Bruce Chase, en plus de Noda et Rabolt, l'équipe de recherche basée à l'UD a découvert propriétés encore plus uniques des PHA. Cela incluait la découverte que l'une des formes du matériau était hautement piézoélectrique, ce qui signifie qu'il détient une charge électrique après l'application d'une force mécanique.
"C'était une excellente collaboration :nous avions des chimistes, des rhéologues, des physiciens, la bonne combinaison de compétences pour pouvoir comprendre et faire différentes choses avec ce matériau unique", a déclaré Rabolt.
Cette découverte a conduit le Bureau de l'innovation économique et des partenariats (OEIP) de l'UD à demander un brevet utilisant Nodax comme polymère biodégradable pour fabriquer des dispositifs piézoélectriques en 2019 ; ce brevet a été autorisé et délivré plus tôt cette année, avec des inventeurs nommés tels que Chase, Noda et Rabolt.
"C'est passionnant de voir les résultats de cette collaboration entre l'Université du Delaware et Danimer Scientific, qui a le potentiel de déclencher une réaction en chaîne de bénéfices", a déclaré Julius Korley, vice-président associé de l'OEIP.
"À mesure que les entreprises intègrent Nodax dans des appareils utiles au public, les redevances sur les brevets reviendront à l'Université pour récompenser nos inventeurs et favoriser l'investissement dans la recherche et l'innovation, nos étudiants apprenant à devenir des innovateurs en cours de route."
La découverte selon laquelle Nodax possède des propriétés piézoélectriques élevées signifie qu'il pourrait potentiellement être utilisé dans des capteurs ou des actionneurs. Nodax pourrait également servir de remplacement possible au fluorure de polyvinylidène (PVDF), un matériau piézoélectrique courant fabriqué à partir de substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), une classe de « produits chimiques éternels » qui ont été associés à des effets négatifs sur la santé. P>
Bien que ce matériau en soit encore aux premiers stades de développement, les possibilités de travaux ultérieurs, tant en termes de recherche fondamentale que d’applications potentielles, enthousiasment Noda. "Nous voulons découvrir des propriétés supplémentaires qui n'ont pas encore été explorées, comprendre comment améliorer le matériau et adapter le traitement à l'échelle industrielle, et globalement continuer à mener des recherches fondamentales qui aideront d'autres entreprises dans leurs applications futures", a-t-il déclaré.
"Ce qui est amusant, c'est simplement de pouvoir essayer différentes choses au fil du temps, peut-être développer la capacité ferroélectrique ou pyroélectrique du matériau, des choses comme ça", a ajouté Rabolt. "Nous ne sommes vraiment que la pointe de l'iceberg avec ce nouveau matériau."
Danimer a déjà travaillé avec des partenaires pour produire des fibres textiles en utilisant du Nodax pour remplacer les matériaux conventionnels tels que le PET et le polypropylène. L'opportunité de se développer désormais dans les applications de fibres piézoélectriques est un développement passionnant.
"L'avenir des PHA en tant que polymère plus parfait dans de nombreuses applications est maintenant, et Danimer est une fois de plus pionnier en matière de nouvelles solutions biotechnologiques avec de grands partenaires comme UD", a déclaré Edwards.
Fourni par l'Université du Delaware
