Les actionneurs sont des dispositifs qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique, comme le dispositif alimenté par batterie à l'intérieur d'un téléphone portable qui fait vibrer le téléphone. Lorsque ce processus est inversé - lorsqu'un appareil convertit l'énergie mécanique en énergie électrique - l'appareil est appelé un récupérateur d'énergie, et que l'énergie électrique est souvent stockée pour une utilisation future. Un exemple serait un dispositif à l'intérieur d'un stimulateur cardiaque qui convertit l'énergie mécanique créée par le mouvement d'une paire de poumons respiratoires en énergie électrique qui peut être utilisée pour charger les batteries du stimulateur cardiaque.

Les deux appareils contiennent généralement des matériaux électromécaniques, tels que les polymères électroactifs, qui sont constitués de molécules en forme de chaîne qui changent de taille ou de forme lorsqu'elles sont stimulées par un champ électrique. Mais leur efficacité et leur vitesse dépendent de la rapidité avec laquelle les ions, ou des particules chargées électriquement, peut se déplacer entre les électrodes, ou les conducteurs traversés par le courant électrique, pour changer la taille ou la forme du polymère. Les ions les plus rapides peuvent se déplacer entre les électrodes, plus ces électrodes auront de conductivité ionique et plus le matériau sera sensible au champ électrique. Bien que ces polymères contiennent généralement des nanoparticules dispersées de manière aléatoire dans le matériau pour le rendre conducteur, cela ralentit les ions en les forçant à se déplacer en zigzag autour des minuscules particules.

Récemment, un chercheur du MIT a collaboré avec une équipe d'ingénieurs électriciens de l'Université d'État de Pennsylvanie pour concevoir une nouvelle façon pour les ions de se déplacer plus rapidement entre les électrodes qu'ils ne le font dans les polymères traditionnels. Brian L. Wardle, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique, et ses collègues ont conçu des électrodes contenant des nanotubes de carbone alignés - minuscules, cylindres creux faits d'atomes de carbone — à utiliser dans un polymère électroactif. Comme ils le rapportent dans un article qui sera publié le 8 octobre dans Matériaux fonctionnels avancés , cet alignement a créé des « voies expresses » qui ont permis aux ions de se déplacer plus rapidement entre les électrodes. Spécifiquement, les chercheurs estiment que la conductivité ionique de ces électrodes est d'environ un ordre de grandeur supérieure à celle des électrodes en polymères contenant des nanoparticules dispersées de manière aléatoire.

Wardle et ses collègues, dont Qiming M. Zhang, professeur de génie électrique à Penn State, et auteur principal Sheng Liu, l'un des étudiants diplômés de Zhang, a démontré que les électrodes de nanotubes de carbone alignées peuvent améliorer les performances ioniques dans un actionneur, ce qui signifie qu'ils pourraient être optimisés pour des applications telles que les muscles artificiels et les robots.

Les chercheurs déclarent que les appareils pourraient être utilisés comme récupérateurs d'énergie grâce à un processus de conversion inverse. Il existe un intérêt considérable pour le développement de récupérateurs d'énergie pour des applications à grande échelle, comme pour créer de l'énergie électrique à partir du mouvement du vent ou des vagues de l'océan, dit Wardle. Les dispositifs pourraient également être utilisés pour alimenter de vastes réseaux de capteurs microscopiques dans des zones difficiles d'accès comme des canalisations souterraines.

Création composite

L'objectif des chercheurs était de concevoir un composite qui pourrait fonctionner comme une électrode supérieure. En chauffant le gaz naturel et en l'exposant à un catalyseur métallique, Wardle et plusieurs de ses étudiants diplômés ont fait croître les nanotubes de carbone électriquement conducteurs et ont versé un polymère mélangé dans un solvant sur eux. Une fois le solvant évaporé, il a laissé un solide, composite poreux ionique contenant à la fois des nanotubes de polymère et de carbone. Les chercheurs ont ensuite utilisé ce composite pour créer une structure composée d'une couche de polymère pur (pour agir comme un isolant) contenant à la fois des ions positifs et négatifs pris en sandwich entre deux couches du composite faites à la fois de polymère et de nanotubes de carbone (pour agir comme électrodes) .

Pour tester les capacités d'actionnement de la structure, les chercheurs ont appliqué un champ électrique à basse tension. Cette tension a provoqué le passage des ions d'une couche d'électrode à l'autre, qui a abouti à un côté de la structure contenant plus d'ions. Ce déséquilibre ionique a généré suffisamment de pression pour faire plier toute la structure, créant ainsi de l'énergie mécanique. L'expérience a également révélé que la conception de l'électrode composite aidait à minimiser la résistance électrique.

Les chercheurs pensent que le même appareil pourrait être utilisé comme récupérateur d'énergie s'il est soumis à une contrainte mécanique, comme par compression. C'est parce que la compression ferait bouger les ions différemment, ce qui provoquerait une charge électrique déséquilibrée. Cette, à son tour, créerait une différence de tension et produirait un flux d'électricité.

Optimiser la conception

Joseph Bar-Cohen, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, affirme que l'étude démontre une amélioration des polymères ioniques. Mais il est curieux de connaître la réponse de l'appareil sur de plus longues périodes de temps, notant que l'étude actuelle était limitée à seulement une expérience de 10 minutes.

Au fur et à mesure qu'ils développent ces électrodes, Wardle et ses collaborateurs tentent de déterminer une conception optimale. Maintenant qu'ils ont démontré l'efficacité des nanotubes de carbone pour l'efficacité des électrodes, ils explorent certains détails qui pourraient permettre des performances optimales, comme l'espacement entre les petits tubes.