Représentation de l'application de nanotubes semi-conducteurs organiques dans le muscle artificiel. Oeuvre reproduite avec l'aimable autorisation de Mohammad Reza Abidian. Crédit :Mohammad Reza Abidian
Des chercheurs de l'Université de Houston signalent une percée dans le domaine de la science et de l'ingénierie des matériaux avec le développement d'un actionneur électrochimique qui utilise des nanotubes semi-conducteurs organiques (OSNT) spécialisés.
Actuellement aux premiers stades de développement, l'actionneur deviendra un élément clé de la recherche contribuant à l'avenir de la robotique, sciences bioélectroniques et biomédicales.
"Les dispositifs électrochimiques qui transforment l'énergie électrique en énergie mécanique ont une utilisation potentielle dans de nombreuses applications, allant de la robotique douce et des micropompes aux microlentilles autofocus et à la bioélectronique, " a déclaré Mohammad Reza Abidian, professeur agrégé de génie biomédical au UH Cullen College of Engineering. Il est l'auteur correspondant de l'article "Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices, " publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés, qui détaille la découverte.
Un mouvement important (que les scientifiques définissent comme un actionnement et mesurent comme une contrainte de déformation) et un temps de réponse rapide ont été des objectifs insaisissables, en particulier pour les dispositifs d'actionnement électrochimique fonctionnant dans un liquide. En effet, la force de traînée d'un liquide restreint le mouvement d'un actionneur et limite le transport et l'accumulation d'ions dans les matériaux et les structures des électrodes. Dans le labo d'Abidian, lui et son équipe ont affiné les méthodes de travail autour de ces deux pierres d'achoppement.
"Notre dispositif électrochimique à nanotubes semi-conducteurs organiques présente des performances d'actionnement élevées avec un transport et une accumulation d'ions rapides et une dynamique réglable dans les électrolytes liquides et gel-polymère. Ce dispositif démontre d'excellentes performances, y compris faible consommation d'énergie/souche, une grande déformation, réponse rapide et excellente stabilité d'actionnement, ", a déclaré Abidian.
Cette performance exceptionnelle, il expliqua, provient de l'énorme surface efficace de la structure nanotubulaire. La plus grande surface facilite le transport et l'accumulation des ions, ce qui se traduit par une électroactivité et une durabilité élevées.
"Les faibles valeurs de consommation/déformation de cet actionneur OSNT, même lorsqu'il fonctionne en électrolyte liquide, marque une profonde amélioration par rapport aux actionneurs électrochimiques précédemment rapportés fonctionnant dans le liquide et l'air, " Abidian a déclaré. "Nous avons évalué la stabilité à long terme. Cet actionneur à nanotubes semi-conducteurs organiques a présenté une stabilité à long terme supérieure par rapport aux actionneurs à base de polymère conjugué précédemment rapportés fonctionnant dans un électrolyte liquide. »
Mohammad Reza Abidian, professeur agrégé de génie biomédical à l'Université de Houston Cullen College of Engineering, a annoncé une percée avec le développement d'un actionneur électrochimique. Crédit :Université de Houston
Mohammadjavad Eslamian, Mohammadjavad Eslamian, ont rejoint Abidian sur le projet. Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan et Sheereen Majd, tous du département de génie biomédical du UH Cullen College of Engineering.
Les semi-conducteurs organiques utilisés, appelés polymères conjugués, ont été découverts dans les années 1970 par trois scientifiques - Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid et Hideki Shirakawa, qui ont remporté un prix Nobel en 2000 pour la découverte et le développement de polymères conjugués.
Pour qu'un nouveau type d'actionneur surpasse le statu quo, le produit final doit s'avérer non seulement très efficace (dans ce cas, dans l'électrolyte polymère liquide et gel), mais aussi que cela peut durer.
« Pour démontrer les applications potentielles, nous avons conçu et développé une sonde neuronale mobile à l'échelle du micron basée sur des microactionneurs OSNT. Cette microsonde peut potentiellement être implantée dans le cerveau, où les enregistrements de signaux neuronaux qui sont affectés négativement, soit par des tissus endommagés, soit par un déplacement de neurones, peut être amélioré en ajustant la position des microporte-à-faux mobiles, " dit Abidian.
La prochaine étape est l'expérimentation animale, qui sera entrepris prochainement à l'Université de Columbia. Les premiers résultats sont attendus d'ici fin 2021, avec des tests à plus long terme à suivre.
« Considérant les réalisations à ce jour, nous prévoyons que ces nouveaux dispositifs électrochimiques basés sur OSNT contribueront à faire progresser la prochaine génération de robotique douce, muscles artificiels, bioélectronique et dispositifs biomédicaux, ", a déclaré Abidian.
