Un échantillon de caoutchouc piézoélectrique. Crédit :Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux
Des chercheurs de l'Empa ont développé un matériau flexible qui génère de l'électricité en cas de stress. Dans le futur, il peut être utilisé comme capteur, intégrés dans les vêtements ou même implantés dans le corps humain, par exemple, pour alimenter un stimulateur cardiaque.
Souple, biologique, mince – propriétés qui ne sont généralement pas associées aux centrales électriques ou aux capteurs. Mais un nouveau matériau développé par les chercheurs de l'Empa est exactement cela :un biologique, film souple qui génère de l'électricité s'il est étiré et compressé. Ce film en caoutchouc pourrait être incorporé dans les boutons de commande, Vêtements, des robots ou même des personnes, et suivre les activités, enregistrer des contacts ou générer de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à une contrainte pour alimenter des dispositifs implantés tels que des stimulateurs cardiaques, par exemple.
Transformer le mouvement en électricité
Grâce à l'effet piézoélectrique, le caoutchouc spécialement conçu est capable de convertir les mouvements mécaniques en charges électriques. L'astuce derrière le courant généré est la polarisation interne qui change lorsque le film de caoutchouc est soumis à une contrainte mécanique.
Cet effet est utilisé dans les prises de son des tourne-disques analogiques, par exemple :l'aiguille est guidée à travers les rainures du disque de manière à générer des vibrations mécaniques. Dans un cristal piézoélectrique, ces vibrations sont converties en impulsions électriques, qui à leur tour peuvent être amplifiés et transformés en ondes sonores.
L'effet piézoélectrique a été découvert dans les cristaux par les frères Jacques et Pierre Curie en 1880. En menant des expériences utilisant des cristaux de tourmaline, ils ont découvert que des charges électriques étaient produites lors de la déformation mécanique à la surface des cristaux. Ceci est dû aux dipôles dans la structure cristalline résultant de la déformation. Les premières applications étaient des transducteurs ultrasonores piézoélectriques et des oscillateurs à cristal pour la stabilisation de fréquence. Cela a donné naissance à la première horloge à quartz des laboratoires Bell aux États-Unis en 1928. Les piézo-céramiques de fabrication industrielle comprennent souvent du titanate de plomb et de zirconium (PZT). Crédit :Wikipédia
Pendant longtemps, l'effet piézoélectrique n'était connu que pour les cristaux. Comme ceux-ci sont lourds et solides, l'effet ne pouvait être utilisé que dans certaines applications. Cependant, La chercheuse de l'Empa Dorina Opris et ses collègues ont désormais réussi à conférer aux élastomères des propriétés piézoélectriques. Néanmoins, le nouveau matériau n'est pas facile à produire. Le caoutchouc est un matériau composite constitué de nanoparticules polaires et d'un élastomère (silicone dans le prototype). Tout d'abord, Yee Song Ko, un doctorant à l'Empa, doit façonner les deux matériaux avant de les relier. Cela donne une mince, film élastique, dans laquelle les fractions polaires des nanoparticules sont toujours orientées de manière aléatoire.
Afin de créer un matériau piézoélectrique, Song Ko doit introduire une polarisation interne à l'aide d'un fort champ électrique. Pour y parvenir, le film est chauffé jusqu'à ce que la température de transition vitreuse des nanoparticules soit dépassée et qu'elles passent d'un solide, état vitreux dans un caoutchouteux, un visqueux. Dans ces conditions, les fragments polaires sont orientés par le champ électrique. L'orientation obtenue est finalement figée en refroidissant le matériau à température ambiante.
Parties du corps en tant que centrale électrique
Il existe une multitude d'applications potentielles pour le nouveau film de caoutchouc. Il pourrait être utilisé pour construire des capteurs de pression, par exemple. Si le matériau est comprimé, une impulsion électrique est produite qui peut être reçue et "comprise" par des appareils. Cela peut être utilisé pour développer un nouveau type de boutons de commande, mais aussi une peau sensible pour les robots qui peuvent ressentir des touchers (pression). De plus, le film peut être utile dans les vêtements pour surveiller les activités du porteur ou générer de l'électricité à partir de ses mouvements. "Ce matériau pourrait probablement même être utilisé pour obtenir de l'énergie du corps humain, " dit Opris. " Vous pouvez l'implanter près du cœur pour générer de l'électricité à partir du rythme cardiaque, par exemple." Cela pourrait alimenter des stimulateurs cardiaques ou d'autres dispositifs implantés, éliminant le besoin d'opérations invasives pour changer la batterie.
