Depuis des siècles, « fibres artificielles » signifiaient l'étoffe brute des vêtements et des cordes ; à l'ère de l'information, il en est venu à désigner les filaments de verre qui transportent les données dans les réseaux de communication. Mais à Yoel Fink, professeur agrégé de science des matériaux et chercheur principal au laboratoire de recherche en électronique du MIT, les fils utilisés dans les textiles et même les fibres optiques sont beaucoup trop passifs. Au cours de la dernière décennie, son laboratoire travaille à développer des fibres aux propriétés toujours plus sophistiquées, pour activer des fabrics qui peuvent interagir avec leur environnement.

Dans le numéro d'août de Nature Materials, Fink et ses collaborateurs annoncent une nouvelle étape sur la voie des fibres fonctionnelles :des fibres capables de détecter et de produire du son. Les applications pourraient inclure des vêtements qui sont eux-mêmes des microphones sensibles, pour capturer la parole ou surveiller les fonctions corporelles, et de minuscules filaments qui pourraient mesurer le flux sanguin dans les capillaires ou la pression dans le cerveau. Le papier, dont les auteurs incluent également Shunji Egusa, un ancien post-doctorant dans le laboratoire de Fink, et les membres actuels du laboratoire Noémie Chocat et Zheng Wang, Est apparu sur Matériaux naturels ' site Web le 11 juillet et le travail qu'il décrit a été soutenu par l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, la National Science Foundation et la Defense Advanced Research Projects Agency du département américain de la Défense.

Les fibres optiques ordinaires sont constituées d'une "préforme, " un grand cylindre d'un seul matériau qui est réchauffé, tiré, puis refroidi. Les fibres développées dans le laboratoire de Fink, par contre, tirent leur fonctionnalité de l'agencement géométrique élaboré de plusieurs matériaux différents, qui doit survivre intact au processus de chauffage et d'étirage.

Le bon truc

Le cœur des nouvelles fibres acoustiques est un plastique couramment utilisé dans les microphones. En jouant avec la teneur en fluor du plastique, les chercheurs ont pu s'assurer que ses molécules restent déséquilibrées - avec des atomes de fluor alignés d'un côté et des atomes d'hydrogène de l'autre - même pendant le chauffage et l'étirage. L'asymétrie des molécules est ce qui rend le plastique « piézoélectrique, " ce qui signifie qu'il change de forme lorsqu'un champ électrique lui est appliqué.

Dans un microphone piézoélectrique conventionnel, le champ électrique est généré par des électrodes métalliques. Mais dans un microphone à fibre, le processus d'étirage ferait perdre leur forme aux électrodes métalliques. Les chercheurs ont donc utilisé à la place un plastique conducteur contenant du graphite, le matériau trouvé dans la mine de crayon. Lorsqu'il est chauffé, le plastique conducteur maintient une viscosité plus élevée - il donne un fluide plus épais - qu'un métal ne le ferait.

Non seulement cela empêchait le mélange des matériaux, mais, de manière cruciale, il a également fait pour les fibres d'épaisseur régulière. Une fois la fibre étirée, les chercheurs doivent aligner toutes les molécules piézoélectriques dans la même direction. Cela nécessite l'application d'un champ électrique puissant - 20 fois plus puissant que les champs qui provoquent la foudre pendant un orage. Partout où la fibre est trop étroite, le champ générerait un petit éclair, ce qui pourrait détruire le matériel qui l'entoure.

Des résultats sonores

Malgré le délicat équilibre requis par le processus de fabrication, les chercheurs ont pu construire des fibres fonctionnelles en laboratoire. « Vous pouvez réellement les entendre, ces fibres, " dit Chocat, un étudiant diplômé du département de science des matériaux. « Si vous les raccordiez à une alimentation et appliquiez un courant sinusoïdal » — un courant alternatif dont la période est très régulière — « alors il vibrerait. Et si vous le faites vibrer à des fréquences audibles et le placez près de votre oreille, vous pouviez en fait entendre différentes notes ou sons en sortir. » Pour leur article Nature Materials, cependant, les chercheurs ont mesuré plus rigoureusement les propriétés acoustiques de la fibre. Puisque l'eau conduit mieux le son que l'air, ils l'ont placé dans un réservoir d'eau en face d'un transducteur acoustique standard, un dispositif qui pourrait alternativement émettre des ondes sonores détectées par la fibre et détecter des ondes sonores émises par la fibre.

En plus des microphones portables et des capteurs biologiques, les applications des fibres pourraient inclure des filets lâches qui surveillent le flux d'eau dans l'océan et des systèmes d'imagerie sonar à grande surface avec des résolutions beaucoup plus élevées :un tissu tissé à partir de fibres acoustiques fournirait l'équivalent de millions de minuscules capteurs acoustiques.

Zheng, un chercheur dans le laboratoire de Fink, souligne également que le même mécanisme qui permet aux dispositifs piézoélectriques de traduire l'électricité en mouvement peut fonctionner à l'envers. "Imaginez un fil qui peut générer de l'électricité lorsqu'il est étiré, " il dit.

Finalement, cependant, les chercheurs espèrent combiner les propriétés de leurs fibres expérimentales en une seule fibre. De fortes vibrations, par exemple, pourrait faire varier les propriétés optiques d'une fibre réfléchissante, permettant aux tissus de communiquer optiquement.

Max Shtein, professeur adjoint au département des sciences des matériaux de l'Université du Michigan, fait remarquer que d'autres laboratoires ont construit des fibres piézoélectriques en tirant d'abord un brin d'un seul matériau, puis en y ajoutant d'autres matériaux, un peu comme les fabricants enroulent actuellement du plastique isolant autour du fil de cuivre. "Yoël a l'avantage de pouvoir extruder des kilomètres de ce truc d'un seul coup, " dit Shtein. " C'est une technique très évolutive. " Mais pour les applications qui nécessitent des brins de fibre relativement courts, tels que des capteurs insérés dans des capillaires, Shtein dit, « l'évolutivité n'est pas si pertinente ».

Mais que la technique du laboratoire Fink le prouve ou non, dans tous les cas, la façon la plus pratique de fabriquer des fibres acoustiques, "Je suis impressionné par la complexité des structures qu'ils peuvent réaliser, " dit Shtein. " Ils sont incroyablement virtuoses dans cette technique. "