Des chercheurs développent une nouvelle technique de fabrication biomimétique pour l'électronique flexible, comme les capteurs portables et les peaux électroniques.
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Une équipe de recherche de l'Université de Turku, en Finlande, a développé une approche innovante pour reproduire les microstructures bioinspirées trouvées dans les squelettes de feuilles de plantes, éliminant ainsi le besoin de technologies de salle blanche conventionnelles.
Les motifs fractals sont des structures auto-réplicatives dans lesquelles la même forme se répète à des échelles de plus en plus petites. Ils peuvent être créés mathématiquement et se produisent également dans la nature. Par exemple, les branches d'arbres, les nervures des feuilles, les réseaux vasculaires et de nombreux motifs floraux, comme le chou-fleur, suivent une structure fractale.
Les chercheurs ont créé des surfaces imitant des motifs fractals en utilisant des squelettes de feuilles d'arbres séchées. Différents matériaux de fabrication ont été pulvérisés sur les squelettes, puis les nouvelles surfaces ont été séparées du squelette. Les chercheurs ont ensuite comparé les propriétés structurelles et la durabilité des surfaces fabriquées à partir de différents matériaux.
Cette surface biomimétique, avec une précision de réplication de plus de 90 %, est hautement compatible avec les applications électroniques flexibles, offrant une extensibilité accrue, une adhérence optimale à la peau et une respirabilité supérieure.
En haut, des images en gros plan de la structure des nervures des feuilles de Ficus religiosa, et en bas, des images en gros plan de la surface biomimétique imitant les microstructures de la feuille (en polymère Nylon 6).
Les surfaces à motifs fractals présentent l'avantage de maximiser leur surface grâce à leurs structures hiérarchiques auto-répétitives, tout en préservant leur flexibilité mécanique. Ces motifs uniques améliorent l'extensibilité de la surface et, dans les matériaux électroniques, leur structure améliore la conductivité électrique, l'efficacité énergétique, la dissipation d'énergie et le transport de charge. Ces propriétés garantissent durabilité et hautes performances sous contrainte mécanique, rendant ces surfaces idéales pour l'électronique flexible de nouvelle génération, comme les capteurs portables, les électrodes transparentes et les peaux bioélectroniques.
Un capteur de pression, fabriqué à partir de surfaces imitant la structure fractale d'une feuille, a été directement fixé sur le bout du doigt d'une main robotique à l'aide d'un ruban d'encapsulation. Cette peau électronique permet au doigt robotique de détecter le toucher, le capteur de pression réagissant au contact. Cette technologie peut également être utilisée pour la détection de mouvements de membres prothétiques et la détection de mouvements humains. Photo : Timo Laukkanen.
Comparées aux fractales artificielles comme le kirigami ou l'origami, les fractales à squelette de feuille offrent des structures naturellement optimisées, hiérarchisées et évolutives. Elles offrent une flexibilité, une respirabilité et une transparence supérieures, tout en conservant un rapport surface/volume élevé.
Bien que les squelettes de feuilles offrent d'excellentes structures fractales, ils ne sont pas intrinsèquement extensibles, durables ou évolutifs en raison de leurs dimensions fixes et de leur dégradabilité. En reproduisant ces motifs à l'aide de polymères extensibles et durables, utilisant les squelettes de feuilles comme modèles, les chercheurs ont pu créer des surfaces offrant une flexibilité et une longévité accrues, rendant ainsi possible une production à grande échelle.
« Nous avons réussi à fusionner les conceptions efficaces de la nature avec des matériaux modernes, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour l'électronique flexible et portable », explique Amit Barua, chercheur doctorant à l'Université de Turku.
Réduire l'impact environnemental
Pour rendre ces surfaces biomimétiques conductrices, les chercheurs ont appliqué une simple couche de nanofils métalliques, obtenant une résistivité superficielle d'environ 20 Ω. Ces surfaces conductrices ont ensuite été intégrées à des applications telles que la détection tactile, le chauffage et les dispositifs électroniques cutanés.
Cette nouvelle technique biomimétique est plus durable que les méthodes traditionnelles en salle blanche, car elle nécessite moins d'énergie et peut être mise en œuvre hors d'environnements contrôlés. Le procédé peut également utiliser des polymères durables, réduisant ainsi encore davantage l'impact environnemental. Pour une production à grande échelle, des modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) et des simulations par éléments finis (MEF) peuvent être utilisés pour reproduire des conceptions biotiques avec des collecteurs maîtres. De plus, les nanofils d'argent peuvent être remplacés par des matériaux conducteurs plus durables, selon les exigences du dispositif.
« Pour concevoir des microstructures sophistiquées avec une grande précision, la fabrication en salle blanche est généralement nécessaire. Cette nouvelle approche biomimétique pourrait permettre de se passer des technologies de salle blanche pour la fabrication d'architectures complexes, contribuant ainsi à réduire les émissions de carbone », explique Amit Barua.
Le doctorant Amit Barua tient un squelette de feuille d'arbre Bodhi. Photo : Timo Laukkanen.
Amit Barua fait partie du groupe de recherche « Matériaux pour dispositifs flexibles » du Département de génie mécanique et des matériaux de l'Université de Turku. Ce groupe est dirigé par le professeur adjoint Vipul Sharma .