Un matériau élastique qui change de couleur, conduit l’électricité, peut être imprimé en 3D et est également biodégradable ? Il ne s'agit pas là d'un simple vœu scientifique :des chercheurs de l'Empa du laboratoire Cellulose &Wood Materials de Dübendorf ont produit un matériau doté de ces propriétés précises à base de cellulose et de nanotubes de carbone. Les travaux sont publiés dans la revue Advanced Materials Technologies .
Les chercheurs ont commencé avec l’hydroxypropylcellulose (HPC), couramment utilisée comme excipient dans les produits pharmaceutiques, cosmétiques et alimentaires, entre autres. Lorsqu’il est mélangé à de l’eau, le HPC est connu pour former des cristaux liquides. Ces cristaux ont une propriété remarquable :en fonction de leur structure, qui elle-même dépend, entre autres choses, de la concentration en HPC, ils scintillent de différentes couleurs, bien qu'ils n'aient eux-mêmes ni couleur ni pigment.
Ce phénomène est appelé coloration structurelle et est connu pour se produire dans la nature :les plumes de paon, les ailes de papillon et la peau de caméléon tirent tout ou partie de leur coloration brillante non pas de pigments, mais de structures microscopiques qui « divisent » la lumière du jour (blanche) en couleurs spectrales. et reflètent uniquement les longueurs d'onde pour des couleurs spécifiques.
La coloration structurelle du HPC change non seulement avec la concentration mais aussi avec la température. Pour mieux exploiter cette propriété, les chercheurs dirigés par Gustav Nyström ont ajouté 0,1 % en poids de nanotubes de carbone au mélange de HPC et d'eau. Cela rend le liquide électriquement conducteur et permet de contrôler la température, et donc la couleur des cristaux liquides, en appliquant une tension.
En prime, le carbone agit comme un absorbeur à large bande qui rend les couleurs plus profondes. En incorporant une petite quantité de nanofibres de cellulose dans le mélange, l'équipe de Nyström a également pu le rendre imprimable en 3D sans affecter la coloration structurelle ni la conductivité électrique.
Les chercheurs ont utilisé le nouveau mélange de cellulose pour imprimer en 3D diverses applications potentielles de la nouvelle technologie. Ceux-ci comprenaient un capteur de contrainte qui change de couleur en réponse à une déformation mécanique et un simple affichage à sept segments.
"Notre laboratoire a déjà développé différents composants électroniques jetables à base de cellulose, comme des batteries et des capteurs", précise Xavier Aeby, co-auteur de l'étude. "C'est la première fois que nous parvenons à développer un écran à base de cellulose."
À l’avenir, l’encre à base de cellulose pourrait avoir de nombreuses autres applications, telles que les capteurs de température et de contrainte, le contrôle de la qualité des aliments ou les diagnostics biomédicaux. "Les matériaux durables pouvant être imprimés en 3D présentent un grand intérêt, en particulier pour les applications dans l'électronique biodégradable et l'Internet des objets", déclare Nyström, responsable du laboratoire.
"De nombreuses questions restent ouvertes sur la manière dont la coloration structurelle est générée et sur la manière dont elle évolue en fonction des différents additifs et conditions environnementales." Nyström et son équipe visent à poursuivre cette ligne de travail dans l'espoir de découvrir de nombreux autres phénomènes intéressants et applications potentielles.
Plus d'informations : Jingjiang Wei et al, Capteurs et écrans en cellulose imprimée structurellement colorée, Technologies de matériaux avancées (2023). DOI : 10.1002/admt.202370002
Informations sur le journal : Technologies avancées des matériaux
Fourni par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux
