Souple, des capteurs de gaz haute performance (à gauche) ont été fabriqués en pulvérisant une solution de nanotubes de carbone (à droite) sur un support en plastique. Crédit :Uli Benz/TUM
Des chercheurs de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) montrent la voie vers un low-cost, fabrication à l'échelle industrielle d'une nouvelle famille d'appareils électroniques. Un bon exemple est un capteur de gaz qui pourrait être intégré dans un emballage alimentaire pour mesurer la fraîcheur, ou dans des moniteurs de qualité de l'air sans fil compacts. De nouveaux types de cellules solaires et de transistors flexibles sont également en préparation, ainsi que des capteurs de pression et de température qui pourraient être intégrés à la peau électronique pour des applications robotiques ou bioniques. Tout peut être fait avec des nanotubes de carbone, pulvérisé comme de l'encre sur des feuilles de plastique souples ou d'autres substrats.
Les capteurs de gaz à base de nanotubes de carbone créés à TUM offrent une combinaison unique de caractéristiques qui ne peuvent être égalées par aucune des technologies alternatives. Ils détectent rapidement et répondent en permanence à des changements extrêmement faibles dans les concentrations de gaz, y compris l'ammoniac, gaz carbonique, et l'oxyde d'azote. Ils fonctionnent à température ambiante et consomment très peu d'énergie. Par ailleurs, comme le rapportent les chercheurs du TUM dans leurs derniers articles, de tels dispositifs peuvent être fabriqués sur des matériaux de support flexibles sur une grande surface, processus à faible coût.
Ainsi, il devient réaliste d'envisager des emballages alimentaires en plastique qui incorporent des capteurs de gaz jetables, fournissant un indicateur plus significatif de la fraîcheur des aliments que la date de péremption. Mesurer le dioxyde de carbone, par exemple, peut aider à prédire la durée de conservation de la viande. Un « emballage intelligent » – en supposant que les consommateurs le trouvent acceptable et que la nature non toxique des dispositifs puisse être démontrée – pourrait améliorer la sécurité alimentaire et pourrait également réduire considérablement la quantité de nourriture gaspillée. Utilisé dans un autre cadre, le même type de capteur de gaz pourrait rendre moins coûteux et plus pratique la surveillance de la qualité de l'air intérieur en temps réel.
Pas si facile - mais "vraiment simple"
Le chercheur postdoctoral Alaa Abdellah et ses collègues de l'Institut de nanoélectronique TUM ont démontré que des capteurs de gaz haute performance peuvent être, en effet, pulvérisé sur des substrats en plastique souple. Avec ça, ils ont peut-être ouvert la voie à la viabilité commerciale des capteurs à base de nanotubes de carbone et de leurs applications. "C'est vraiment simple, une fois que vous savez comment le faire, " dit le professeur Paolo Lugli, directeur de l'institut.
L'effort de TUM pour développer des capteurs de gaz flexibles à base de nanotubes de carbone, ainsi que de nouveaux procédés de fabrication qui pourraient les rendre commercialement viables, était dirigée par la chercheuse postdoctorale Alaa Abdellah. Crédit :Uli Benz/TUM
Le bloc de construction le plus fondamental pour cette technologie est une seule molécule cylindrique, une feuille enroulée d'atomes de carbone qui sont liés dans un motif en nid d'abeille. Ce soi-disant nanotube de carbone pourrait être comparé à un tuyau d'arrosage d'une longueur inimaginable :un tube creux d'à peine un nanomètre de diamètre mais peut-être des millions de fois plus long que large. Les nanotubes de carbone individuels présentent des propriétés étonnantes et utiles, mais dans ce cas les chercheurs s'intéressent davantage à ce qu'on peut en faire en masse.
Couché en couches minces, les nanotubes de carbone orientés aléatoirement forment des réseaux conducteurs pouvant servir d'électrodes; les films à motifs et en couches peuvent fonctionner comme des capteurs ou des transistors. "En réalité, " explique le Pr Lugli, "la résistivité électrique de ces films peut être modulée soit par une tension appliquée (pour fournir une action de transistor) soit par l'adsorption de molécules de gaz, qui à son tour est une signature de la concentration de gaz pour les applications de capteurs. »
Et comme base pour les capteurs de gaz en particulier, les nanotubes de carbone combinent les avantages (et évitent les défauts) de matériaux plus établis, tels que l'électronique organique à base de polymères et les semi-conducteurs à oxyde métallique à l'état solide. Ce qui manquait jusqu'à présent, c'est une solution fiable, reproductible, méthode de fabrication à faible coût.
Dépôt par pulvérisation, complété si nécessaire par une impression par transfert, répond à ce besoin. Une solution aqueuse de nanotubes de carbone ressemble à une bouteille d'encre noire et peut être manipulée de manière similaire. Ainsi, les appareils peuvent être pulvérisés - à partir d'une buse robotisée commandée par ordinateur - sur pratiquement n'importe quel type de substrat, y compris des feuilles de plastique souple de grande surface. Il n'y a pas besoin d'installations coûteuses de salle blanche.
"Pour nous, il était important de développer une plate-forme technologique facilement évolutive pour la fabrication d'électronique imprimée et flexible de grande surface à base de semi-conducteurs organiques et de nanomatériaux, " dit le Dr Abdellah. " A cette fin, le dépôt par pulvérisation constitue le cœur de notre technologie de traitement. »
Les défis techniques restants découlent en grande partie d'exigences spécifiques à l'application, comme la nécessité pour les capteurs de gaz d'être à la fois sélectifs et sensibles.
