La miniaturisation des matériaux recèle un grand potentiel pour les appareils intelligents, selon les chercheurs.
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Selon une équipe de recherche de Penn State, les appareils électroniques portables pourraient être plus faciles à porter. Les chercheurs ont mis au point une approche évolutive et polyvalente pour concevoir et fabriquer des systèmes électroniques sans fil et connectés à Internet, capables de mieux s'adapter aux surfaces 3D, comme le corps humain ou les objets ménagers courants, ouvrant la voie à une surveillance de la santé plus précise ou à une automatisation domestique, comme par exemple un fauteuil inclinable intelligent capable de surveiller et de corriger les mauvaises habitudes assises afin d'améliorer la circulation et de prévenir les problèmes à long terme.
La méthode, décrite en détail dans Science Advances , consiste à imprimer des motifs de métal liquide sur des substrats polymères thermorétractables, également connus sous le nom de « Shrinky Dinks », une pâte à modeler couramment utilisée dans les activités manuelles de l'enfance. Selon Huanyu « Larry » Cheng , chef d'équipe et professeur agrégé de sciences et de mécanique de l'ingénierie à la faculté d'ingénierie , titulaire de la chaire James L. Henderson, Jr. , cette méthode potentiellement peu coûteuse de création de dispositifs électroniques personnalisables et adaptables à différentes formes, capables de se connecter à Internet, pourrait rendre les nombreuses applications de tels dispositifs plus accessibles.
« Nous voyons un potentiel considérable pour cette approche dans les applications biomédicales et les technologies portables », a déclaré Cheng, soulignant que le secteur devrait atteindre 186,14 milliards de dollars d'ici 2030. « Toutefois, un obstacle majeur pour ce secteur réside dans la fabrication d'un dispositif facile à personnaliser, pouvant être appliqué sur des surfaces libres et de formes variées, et capable de communiquer sans fil. Notre méthode apporte une solution à ce problème. »
Yangbo Yuan , doctorant en sciences de l'ingénieur et mécanique et co-auteur de l'étude, explique que les méthodes de production actuelles d'électronique portable connectée consistent à fabriquer directement des circuits sur les surfaces cibles par impression 3D, un procédé complexe qui limite l'extensibilité et la rentabilité. Il précise que les méthodes plus économiques utilisant du métal liquide et la manipulation de matériaux thermoplastiques ramollis offrent des possibilités de reconfiguration ou de personnalisation limitées en raison de la nécessité de moules pré-conformés. En définitive, aucune méthode commerciale actuelle ne permet d'intégrer à grande échelle un dispositif intelligent compatible Wi-Fi sur des surfaces ou des structures 3D complexes.
« Nous travaillons sur des méthodes pour intégrer ce circuit au corps humain ou à différentes géométries 3D, mais notre rêve est toujours de trouver une solution extrêmement facile à fabriquer, non seulement dans un laboratoire spécialisé, mais aussi à domicile », a déclaré Cheng.
Le rêve des chercheurs s'est réalisé, a déclaré Cheng, lorsqu'ils ont découvert le polymère utilisé dans les kits de loisirs créatifs en plastique rétractable, un matériau couramment utilisé par les enfants pour créer des objets personnalisés comme des porte-clés ou des bijoux. Des paquets de feuilles peuvent être achetés en ligne pour moins de 15 dollars, répondant ainsi à leurs critères de faible coût et de disponibilité.
« Lorsque nous avons découvert ce matériau rétractable, cela nous a semblé idéal », a déclaré Yuan, expliquant que, chauffées, les feuilles se rétractent uniformément horizontalement et verticalement, permettant ainsi un processus de rétraction contrôlé. « Notre objectif est de créer une structure facile à monter soi-même et accessible au plus grand nombre. »
Une fois le matériau de substrat sélectionné, les chercheurs devaient trouver une méthode pour intégrer un circuit au polymère, capable de résister au processus de rétraction thermique sans altérer sa conductivité ni son intégrité structurelle. La conductivité est essentielle pour minimiser la consommation d'énergie et optimiser l'efficacité de la transmission des données, condition indispensable à la connexion du circuit à un réseau Wi-Fi, ont-ils précisé.
Yangbo Yuan , étudiant diplômé en sciences et mécanique de l'ingénieur, et Huanyu « Larry » Cheng , professeur agrégé titulaire de la chaire James L. Henderson, Jr. en sciences et mécanique de l'ingénieur à la Faculté d'ingénierie , posent avec leur prototype : une bague connectée dotée d'un accéléromètre miniaturisé. Crédit : Courtney Robinson / Penn State . Creative Commons
Selon l'équipe, les métaux traditionnels utilisés dans les circuits, comme l'or ou l'argent, sont non seulement coûteux, mais aussi trop rigides pour supporter le processus de rétraction, ce qui pourrait engendrer des structures plissées et nuire à leurs performances. L' équipe avait déjà expérimenté l'application de métal liquide — un alliage de gallium et d'indium dont le point de fusion est d'environ 16 °C — à des structures extensibles et entrevoyait un potentiel intéressant en tentant l'opération inverse.
Pour mieux comprendre le métal liquide, ils ont collaboré avec Feifei Shi , professeure adjointe de génie énergétique au sein du département de génie énergétique et minier John et Willie Leone, et auteure principale de l'étude. Le laboratoire de Shi a été conçu pour éliminer les facteurs environnementaux susceptibles d'affecter le métal liquide, tels que l'air ou l'humidité, dans le cadre de ses recherches en électrochimie des batteries lithium-ion, qui exigent un contrôle environnemental rigoureux. L'équipe a mené ses expériences dans une enceinte en verre remplie d'argon, ce qui lui a permis de manipuler ce matériau sensible tout en prévenant toute oxydation incontrôlée ou autres altérations.
« Le métal liquide est un métal magique », a déclaré Shi. « Mais comme ce matériau est très récent, nous ne comprenons pas encore bien ses propriétés intrinsèques, telles que la tension superficielle ou sa chimie. Son comportement est également difficile à prévoir. C’est pourquoi, à chaque étape, nous devons tout examiner, couche par couche, pour comprendre ce qui se passe. »
Shi a aidé les chercheurs à observer comment le métal liquide s'écoulait lorsqu'on appliquait de la chaleur au polymère.
« Le métal liquide s'écoule très bien sous forme de gouttelettes », a expliqué Cheng. « Notre défi consistait à garantir que ces gouttelettes restent connectées entre elles afin de créer un chemin conducteur pour le courant électrique, tout en restant liées au substrat. Sans cela, le substrat se rétracte et le circuit non, ce qui poserait un problème majeur. »
La solution consistait à modifier le métal liquide pur.
Les chercheurs ont résolu le problème d'adhérence en encapsulant et en dispersant des gouttelettes de métal liquide par ultrasonication – un procédé qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour générer des vibrations ultrasoniques transformant le liquide en fines particules – et par ajout de dodécylbenzènesulfonate de sodium, un composé chimique similaire à un détergent classique. Ces modifications ont transformé le caractère hydrophobe du métal liquide, qui repousse l'eau, en un caractère hydrophile, qui attire l'eau, créant ainsi un environnement plus propice à l'adhérence.
Ils ont également appliqué un traitement plasma à la feuille de plastique afin de favoriser la formation de liaisons hydrogène. Les chercheurs ont constaté que la combinaison du métal liquide modifié et du revêtement plasma permettait au circuit imprimé de résister au processus de rétraction thermique et d'améliorer ses performances, a déclaré Yuan. Le procédé ultrasonique a produit un métal liquide contenant des composants solides et liquides : le composant solide améliorait la conductivité et la robustesse mécanique, tandis que le composant liquide maintenait la fluidité du métal. De plus, ils ont observé que le métal liquide remplissait les pores microscopiques de la feuille de plastique avant de durcir, formant ainsi une structure imbriquée. Au final, les tests ont révélé que les étapes de modification augmentaient l'adhérence de 20 %.
« Nous étudions encore le substrat ; nous ne connaissons pas sa morphologie complète, mais le fait de voir comment le métal liquide est passé d'une structure plane à une structure en forme de dôme, associé à des performances améliorées, montre comment l'architecture et la géométrie 3D peuvent améliorer la conception des circuits », a déclaré Cheng.
Leur procédé de contrôle et de mise en forme du substrat par rétraction thermique leur permet de créer diverses formes 3D intégrant des circuits et des antennes fonctionnels. Crédit : Courtney Robinson / Penn State . Creative Commons
En imprimant de l'encre noire pour former le circuit sur le substrat, puis en utilisant de la lumière proche infrarouge, l'équipe a pu diriger la chaleur pour réduire le matériau à une forme géométrique cible.
« La fabrication de circuits miniatures exige des équipements et des infrastructures très coûteux, ainsi qu'une grande dextérité et un savoir-faire pointu », a déclaré Cheng. « La possibilité de partir d'une surface plus grande et de réduire ensuite la taille ouvre des perspectives intéressantes. »
L'équipe a ensuite utilisé des motifs géométriques répétitifs pour créer une antenne plus compacte. Yuan a expliqué que la maîtrise du pliage et de la transformation du matériau leur permet de concevoir des formes réduisant les interférences et s'adaptant à diverses surfaces et formes. Selon Yuan, leur procédé de rétraction thermique pour adapter les antennes aux objets du quotidien pourrait réduire considérablement les coûts de fabrication par rapport à la conception d'antennes sur mesure pour chaque objet.
« Dans ce contexte, l'antenne rétractable, associée à des modules de capteurs compatibles, peut être déployée comme solution prête à l'emploi pour doter les objets du quotidien de capacités sans fil intelligentes, démontrant ainsi un fort potentiel pour la modernisation du parc immobilier résidentiel actuel en maisons intelligentes », a déclaré Yuan.
Pour valider le concept, l'équipe a développé une bague connectée dotée d'un accéléromètre miniaturisé intégré, capable de capturer et de transmettre avec succès des mouvements gestuels via un réseau. Les premiers résultats sont prometteurs pour de nombreuses applications, a déclaré Yuan, qui a toutefois précisé que des cas d'utilisation spécifiques, comme la reconnaissance de la langue des signes à partir des mouvements des doigts, nécessiteraient des tests supplémentaires.
« Nous proposons un cadre novateur, caractérisé par une large compatibilité des matériaux, une grande précision et de faibles coûts de fabrication, qui ouvre la voie à une nouvelle génération d'appareils électroniques 3D plus accessibles », a déclaré Yuan.
Cheng a déclaré qu'il réfléchissait déjà aux prochaines étapes et aux futures collaborations avec des chercheurs du Penn State College of Engineering et du College of Medicine afin d'améliorer la conception des antennes et les applications biomédicales.
« La possibilité de créer un dispositif personnalisé et peu coûteux qui surveille les informations des patients est une perspective passionnante, potentiellement salvatrice, quelles que soient la morphologie et la taille du patient », a déclaré Cheng.