Un conducteur élastique imprimé maintient une conductivité élevée sous contrainte. La diode électroluminescente (DEL) continue de briller intensément même lorsqu'elle est étirée jusqu'à cinq fois sa longueur d'origine (en bas). Crédit : 2017 Groupe Someya, L'Université de Tokyo.
Un conducteur élastique imprimable nouvellement développé conserve une conductivité élevée même lorsqu'il est étiré jusqu'à cinq fois sa longueur d'origine, dit une équipe japonaise de scientifiques. Le nouveau matériel, produit sous forme d'encre pâteuse, peut être imprimé dans divers motifs sur des textiles et des surfaces en caoutchouc en tant que câblage extensible pour les appareils portables incorporant des capteurs, ainsi que de donner des fonctions semblables à celles de la peau humaine à l'extérieur des robots.
Le développement de dispositifs portables tels que ceux qui surveillent la santé ou les performances physiques d'une personne, comme la fréquence cardiaque ou l'activité musculaire, est actuellement en cours avec certains produits déjà sur le marché. De plus, avec l'avènement des robots dans des domaines tels que les soins de santé et la vente au détail, en plus de la fabrication, les applications futures de matériaux conducteurs élastiques sensibles qui peuvent résister à de fortes contraintes d'étirement sont susceptibles d'augmenter à un point culminant.
« Nous avons vu la demande croissante d'appareils portables et de robots, " déclare le professeur Takao Someya de la Graduate School of Engineering de l'Université de Tokyo, qui a supervisé la présente étude. "Nous avons estimé qu'il était très important de créer des conducteurs élastiques imprimables pour aider à répondre au besoin et à réaliser le développement des produits, " il ajoute.
Pour atteindre un haut degré d'extensibilité et de conductivité, les chercheurs ont mélangé quatre composants pour créer leur conducteur élastique. Ils ont découvert que leur pâte conductrice constituée de paillettes d'argent (Ag) de la taille d'un micromètre, caoutchouc fluoré, le tensioactif fluoré - communément appelé substance qui réduit la tension superficielle dans le liquide - et le solvant organique pour dissoudre le caoutchouc fluoré ont nettement surpassé le conducteur élastique qu'ils avaient précédemment développé en 2015.
Les nanoparticules d'Ag sont formées en mélangeant simplement des flocons d'Ag de taille micrométrique avec d'autres composants et en imprimant la pâte composite, qui à l'origine n'inclut pas les nanoparticules. Ces nanoparticules d'Ag à haute densité relient la conduction entre des flocons d'Ag de taille micrométrique dispersés dans du caoutchouc fluoré. Crédit : 2017 Groupe Someya, L'Université de Tokyo.
Sans s'étirer, traces imprimées du nouveau conducteur enregistrées 4, 972 siemens par centimètre (S/cm), conductivité élevée en utilisant la mesure commune pour évaluer la conductance électrique. Lorsqu'il est étiré de 200 %, ou à trois fois sa longueur d'origine, conductivité mesurée 1, 070 S/cm, soit près de six fois la valeur du conducteur précédent (192 S/cm). Même lorsqu'il est étiré de 400 %, ou à cinq fois sa longueur d'origine, le nouveau conducteur a conservé une conductivité élevée de 935 S/cm, le plus haut niveau enregistré pour cette quantité d'étirement.
Le grossissement au microscope électronique à balayage (MEB) et au microscope électronique à transmission (MET) a montré que la haute performance du conducteur était due à l'autoformation de nanoparticules d'argent (Ag) - un millième de la taille des flocons d'Ag et dispersées uniformément entre les flocons du caoutchouc fluoré, après l'impression et le chauffage de la pâte composite conductrice. "Nous ne nous attendions pas à la formation de nanoparticules d'Ag, " commente Someya à propos de leur surprenante découverte.
Par ailleurs, les scientifiques ont découvert qu'en ajustant des variables comme le poids moléculaire du caoutchouc fluoré, ils pourraient contrôler la distribution et la population des nanoparticules, tandis que la présence de tensioactif et le chauffage ont accéléré leur formation et influencé leur taille.
Chaque capteur de pression du bout des doigts monté sur ce gant est connecté à une LED. L'intensité des LED varie en fonction de la pression exercée par le bout des doigts. Le gant permet de connaître des degrés de pression difficiles à obtenir par le seul examen d'images. Crédit : 2017 Groupe Someya, L'Université de Tokyo.
Pour démontrer la faisabilité des conducteurs, les scientifiques ont fabriqué des capteurs de pression et de température extensibles entièrement imprimés, capables de détecter une force faible et de mesurer la chaleur à proximité de la température corporelle et ambiante, câblés avec les conducteurs élastiques imprimables sur les textiles. Les capteurs, qui peut être installé facilement par stratification sur des surfaces par pressage à chaud avec chaleur et pression, a pris des mesures précises même lorsqu'il était étiré de 250 pour cent. C'est suffisant pour accueillir des zones flexibles à forte contrainte telles que les coudes et les genoux sur conformable, des vêtements de sport ajustés ou des articulations sur des bras robotiques souvent conçus pour surpasser les capacités humaines et donc subir une pression plus élevée.
Le nouveau matériel, qui est durable et adapté aux méthodes d'impression de grande capacité comme la sérigraphie ou au pochoir pouvant couvrir de grandes surfaces, indique une installation facile, et ses propriétés de formation de nanoparticules d'Ag (qui représentent une fraction du coût des flocons d'Ag) lorsqu'elles sont imprimées offrent une alternative économique pour réaliser une large gamme d'applications pour les vêtements, la robotique et les appareils électroniques déformables. L'équipe explore maintenant des substituts aux flocons d'Ag pour réduire davantage les coûts, alors qu'ils étudient également d'autres polymères, comme les caoutchoucs non fluorés, et diverses combinaisons de matériaux et de procédés pour fabriquer des conducteurs élastiques avec des performances élevées similaires.
