(Phys.org)—Une équipe de chimistes et d'ingénieurs de Stanford a créé le premier matériau synthétique à la fois sensible au toucher et capable de se guérir rapidement et de manière répétée à température ambiante. L'avancée pourrait conduire à des prothèses plus intelligentes ou à des appareils électroniques personnels plus résistants qui se réparent eux-mêmes.

Personne ne connaît les propriétés remarquables de la peau humaine comme les chercheurs s'efforcent de l'imiter. Non seulement notre peau est sensible, envoyer au cerveau des informations précises sur la pression et la température, mais il cicatrise aussi efficacement pour conserver une barrière protectrice contre le monde. La combinaison de ces deux caractéristiques dans un seul matériau synthétique a représenté un défi passionnant pour le professeur de génie chimique de Stanford Zhenan Bao et son équipe.

Maintenant, ils ont réussi à créer le premier matériau capable à la fois de détecter une pression subtile et de se guérir lorsqu'il est déchiré ou coupé. Leurs conclusions seront publiées le 11 novembre dans la revue Nature Nanotechnologie .

Au cours de la dernière décennie, il y a eu des avancées majeures dans la peau synthétique, dit Bao, le chercheur principal de l'étude, mais même les matériaux d'auto-guérison les plus efficaces présentaient des inconvénients majeurs. Certains ont dû être exposés à des températures élevées, ce qui les rend peu pratiques pour une utilisation quotidienne. D'autres pourraient guérir à température ambiante, mais la réparation d'une coupure a changé leur structure mécanique ou chimique, ils ne pouvaient donc se soigner qu'une seule fois. Plus important encore, aucun matériau auto-cicatrisant n'était un bon conducteur d'électricité en vrac, une propriété cruciale.

« Pour interfacer ce genre de matériel avec le monde numérique, idéalement vous voulez qu'ils soient conducteurs, " a déclaré Benjamin Chee-Keong Tee, premier auteur de l'article.

Une nouvelle recette

Les chercheurs ont réussi à combiner deux ingrédients pour obtenir ce que Bao appelle « le meilleur des deux mondes » :la capacité d'auto-guérison d'un polymère plastique et la conductivité d'un métal.

Ils ont commencé avec un plastique constitué de longues chaînes de molécules reliées par des liaisons hydrogène - les attractions relativement faibles entre la région chargée positivement d'un atome et la région chargée négativement du suivant.

"Ces liens dynamiques permettent au matériau de s'auto-guérir, " dit Chao Wang, un co-premier auteur de la recherche. Les molécules se séparent facilement, mais quand ils se reconnectent, les liaisons se réorganisent et restaurent la structure du matériau après qu'il soit endommagé, il a dit. Le résultat est un matériau pliable, qui, même à température ambiante, ressemble un peu à de la tire d'eau salée laissée dans le réfrigérateur.

A ce polymère résilient, les chercheurs ont ajouté de minuscules particules de nickel, ce qui augmente sa résistance mécanique. Les surfaces nanométriques des particules de nickel sont rugueuses, ce qui s'est avéré important pour rendre le matériau conducteur. Tee a comparé ces caractéristiques de surface à des "mini-machettes, " avec chaque bord saillant concentrant un champ électrique et facilitant le passage du courant d'une particule à l'autre.

Le résultat était un polymère avec des caractéristiques peu communes. "La plupart des plastiques sont de bons isolants, mais c'est un excellent conducteur, " dit Bao.

Rebondir

L'étape suivante consistait à voir dans quelle mesure le matériau pouvait restaurer à la fois sa résistance mécanique et sa conductivité électrique après endommagement.

Les chercheurs ont pris une fine bande de matériau et l'ont coupé en deux avec un scalpel. Après avoir pressé doucement les pièces ensemble pendant quelques secondes, ils ont découvert que le matériau avait récupéré 75 % de sa résistance et de sa conductivité électrique d'origine. Le matériau a été restauré à près de 100 pour cent en 30 minutes environ. "Même la peau humaine met des jours à guérir. Je pense donc que c'est plutôt cool, " dit Té.

Quoi de plus, le même échantillon pourrait être coupé à plusieurs reprises au même endroit. Après 50 coupures et réparations, un échantillon a résisté à la flexion et à l'étirement tout comme l'original.

La nature composite du matériau a créé un nouveau défi d'ingénierie pour l'équipe. Bao et ses co-auteurs ont découvert que même si le nickel était essentiel pour rendre le matériau solide et conducteur, cela a également entravé le processus de guérison, empêchant les liaisons hydrogène de se reconnecter aussi bien qu'elles le devraient.

Pour les générations futures du matériel, Bao a déclaré que l'équipe pourrait ajuster la taille et la forme des nanoparticules, ou encore les propriétés chimiques du polymère, pour contourner ce compromis.

Néanmoins, Wang a déclaré que l'étendue de ces propriétés d'auto-guérison était vraiment surprenante :« Avant notre travail, il était très difficile d'imaginer que ce genre de flexible, le matériau conducteur pourrait également être auto-cicatrisant."

Sensible au toucher

L'équipe a également exploré comment utiliser le matériau comme capteur. Pour les électrons qui composent un courant électrique, essayer de traverser ce matériau, c'est comme essayer de traverser un ruisseau en sautant de pierre en pierre. Les pierres dans cette analogie sont les particules de nickel, et la distance qui les sépare détermine la quantité d'énergie dont un électron aura besoin pour se libérer d'une pierre et se déplacer vers une autre.

La torsion ou la pression sur la peau synthétique modifie la distance entre les particules de nickel et, donc, la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer. Ces changements subtils de résistance électrique peuvent être traduits en informations sur la pression et la tension sur la peau.

Tee dit que le matériau est suffisamment sensible pour détecter la pression d'une poignée de main. Cela pourrait, donc, être idéal pour une utilisation en prothèse, Bao a ajouté. Le matériau est sensible non seulement à la pression vers le bas mais aussi à la flexion, ainsi, un membre prothétique pourrait un jour être capable d'enregistrer le degré de courbure d'une articulation.

Tee a signalé d'autres possibilités commerciales. Les appareils électriques et les fils revêtus de ce matériau pourraient se réparer et faire circuler à nouveau l'électricité sans entretien coûteux et difficile, en particulier dans les endroits difficiles d'accès, comme à l'intérieur des murs d'un bâtiment ou des véhicules.

Ensuite, Bao a déclaré que l'objectif de l'équipe est de rendre le matériau extensible et transparent, de sorte qu'il puisse convenir pour envelopper et superposer des appareils électroniques ou des écrans d'affichage.