Une jauge de contrainte faite de crayon et de papier est déformée pour comprimer le réseau de graphène.
(Phys.org) — Parfois, la résolution d'un problème ne nécessite pas une solution de haute technologie. Parfois, vous ne devez pas chercher plus loin que votre bureau.
Trois étudiants de la McCormick School of Engineering de la Northwestern University—un étudiant de premier cycle, un étudiant à la maîtrise, et leur assistant pédagogique - ont prouvé que des crayons et du papier de bureau ordinaire peuvent être utilisés pour créer des appareils fonctionnels capables de mesurer la contrainte et de détecter les vapeurs chimiques dangereuses.
Un article décrivant leurs découvertes, "Jauges de contrainte et chimiorésistances dessinées au crayon sur papier, " a été publié le 22 janvier dans Rapports scientifiques , une revue en libre accès du Nature Publishing Group.
Le projet a vu le jour à l'automne 2011 dans le cours Introduction to Conducting Polymers de McCormick (MSE 337) lors d'une discussion sur les propriétés conductrices du graphène, une couche épaisse de carbone d'un atome qui peut être analysée à partir d'une mine de crayon ordinaire. (Un terme impropre, le crayon "mine" comprend en fait du graphite dans un liant d'argile.)
« Quand vous tracez une ligne sur un morceau de papier, le graphite peut perdre de nombreuses feuilles de graphène, " a déclaré Jiaxing Huang, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux qui a enseigné le cours et qui a été co-auteur de l'article. « Un étudiant a demandé, « Pouvons-nous utiliser ce graphène pour quelque chose ? » Cela a commencé une exploration de ce que les traces de crayon peuvent faire. »
Une équipe d'étudiants, dont les auteurs principaux Cheng-Wei Lin (MS science des matériaux '13) et Zhibo Zhao (BS science des matériaux '13), a commencé par mesurer la conductivité d'un tracé au crayon sur papier, puis utilisé les traces pour créer une électrode rudimentaire. Ils ont appris qu'enrouler le papier dans une direction augmentait la conductivité de la trace en comprimant les particules conductrices de graphène. Le recourbement du papier dans l'autre sens a desserré le réseau de graphène et diminué la conductivité.
Une résistance chimique dessinée au crayon peut détecter la présence de gaz dangereux.
Les élèves se sont ensuite tournés vers les traces d'un crayon jouet pliable. (Ces crayons fantaisie sont souples car le graphite n'est pas mélangé avec de l'argile, mais avec un liant polymère.) Encore une fois, la conductivité pourrait être augmentée et diminuée en manipulant le papier, mais les étudiants ont découvert qu'il était également affecté par la présence de vapeurs chimiques volatiles, tels que ceux des solvants industriels toxiques.
Lorsque le produit chimique est présent, le liant polymère absorbe les vapeurs et se dilate, écartant le réseau de graphène et diminuant la conductivité. La conductivité diminue le plus en présence de vapeurs qui sont plus facilement absorbées par le liant polymère.
Ces types de capteurs chimiques, également appelés « chimiresistors », sont des éléments clés des « nez électroniques » pour détecter les vapeurs chimiques toxiques. En créant des résistances chimiques, les chercheurs utilisent souvent des matériaux plus coûteux, tels que des réseaux de nanotubes de carbone ou de nanoparticules métalliques, et ont besoin de les disperser dans une matrice polymère pour former un réseau.
"Maintenant, nos étudiants ont montré que cela peut être fait simplement avec un crayon et du papier - et cela fonctionne, " a déclaré Huang. "C'est un excellent exemple montrant comment la curiosité conduit à un travail innovant."
D'autres applications de la technologie du crayon et du papier pourraient être moins conventionnelles. "Cela pourrait aider à inspirer une nouvelle forme d'art, " a dit Huang. " Peut-être peut-on faire des dessins " intelligents " et interactifs, dans lequel l'art lui-même est le circuit et peut répondre à l'environnement."
En plus de Lin, Zhao, et Huang, Jaemyung Kim (PhD science des matériaux '13), qui a servi comme assistant d'enseignement pour le cours, co-auteur de l'article.
