À mesure que les capteurs portables deviennent de plus en plus répandus, le besoin d'un matériau résistant aux dommages causés par le stress et les contraintes du mouvement naturel du corps humain devient de plus en plus crucial. À cette fin, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé une méthode d'adoption d'architectures de kirigami pour aider les matériaux à devenir plus tolérants aux contraintes et plus adaptables au mouvement.

Semblable à l'origami, l'art plus connu du pliage du papier, le kirigami consiste à couper en plus du pliage. L'équipe dirigée par SungWoo Nam, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie mécaniques, et Keong Yong ont appliqué avec succès des architectures de kirigami au graphène, une matière ultra-fine, pour créer des capteurs adaptés aux appareils portables.

"Pour obtenir les meilleurs résultats de détection, vous ne voulez pas que votre mouvement génère des sorties de signal supplémentaires, " Nam a noté. "Nous utilisons des coupes kirigami pour fournir une extensibilité au-delà de la déformabilité normale d'un matériau. Cette conception particulière est très efficace pour découpler les artefacts de mouvement des signaux souhaités."

Pour atteindre ces résultats, l'équipe de recherche a pu effectuer un certain nombre de simulations en collaborant avec Narayana Aluru, professeur de sciences et d'ingénierie mécaniques, et en développant un logiciel en ligne sur un nœud de nanofabrication, le premier du genre à être développé. La plate-forme logicielle en ligne permet aux chercheurs d'effectuer des simulations avant de créer les appareils ou plates-formes réels.

Une fois que l'équipe a proposé une conception qui fonctionnait bien en simulation, il était temps de le mettre à l'épreuve. Le graphène semblait prometteur en tant que matériau car il pouvait résister à une déformation et à une rupture importantes par rapport aux métaux et autres matériaux conventionnels. Parce que le graphène est un matériau atomiquement mince, l'équipe de recherche a réussi à encapsuler la couche de graphène entre deux couches de polyimide (le même matériau utilisé pour protéger les smartphones pliables). Une fois le "sandwich" créé, ils ont ensuite conçu des coupes kirigami pour améliorer l'extensibilité du matériau.

« Parce que le graphène est sensible aux changements externes, mais aussi un conducteur semi-métallique flexible, les gens sont très intéressés par la création de capteurs à partir de celui-ci, " dit Nam. " Cette sensibilité est bien adaptée pour détecter ce qui est autour de vous, tels que les niveaux de glucose ou d'ions dans la sueur."

L'équipe a découvert que l'adoption d'une architecture kirigami rendait le graphène non seulement extensible, mais aussi insensible aux contraintes et exempt d'artefacts de mouvement, ce qui signifie que même s'il était déformé, il n'y a pas eu de changement d'état électrique. Spécifiquement, ils ont découvert que les électrodes en graphène présentaient une insensibilité à la déformation jusqu'à 240 % de déformation uniaxiale, ou 720 degrés de torsion.

Ils ont publié les résultats de leur étude dans Matériaux aujourd'hui .

"Ce qui est intéressant avec le kirigami, c'est que lorsque vous l'étirez, vous créez un basculement hors plan, " dit Nam. "C'est ainsi que la structure peut supporter des déformations aussi importantes."

Dans leur conception, les chercheurs ont placé l'élément de détection actif sur une "île" entre deux "ponts" en graphène kirigami. Alors que le graphène n'a perdu aucun signal électrique malgré la flexion et l'inclinaison, il a encore pris la charge de l'étirement et de la tension, permettant à l'élément sensible actif de rester connecté à la surface. En tant que tel, kirigami a la capacité unique de redistribuer les concentrations de stress, obtenant ainsi des attributs mécaniques directionnels améliorés.

Alors que l'équipe de recherche a prouvé avec succès la méthode de base, ils travaillent déjà à l'amélioration de la version 2.0 avec la possibilité de commercialiser à terme la technologie.

L'équipe a également obtenu des résultats positifs en utilisant du polydiméthylsiloxane (PDMS) comme couches sandwich et pense que, en plus du graphène, la conception pourrait également s'étendre à d'autres matériaux atomiquement minces tels que les dichalcogénures de métaux de transition.