Capteur de champ magnétique biodégradable imprimé sur une tomate : un exemple de bioélectronique durable. Crédit : Lin Guo
Aujourd’hui, les capteurs de champ magnétique font partie des produits invisibles fabriqués en masse dans l’industrie électronique. Ils mesurent les mouvements, les positions ou les distances et se retrouvent dans les contacts de vitres, les volants, les disques durs, les emballages et les téléphones portables. Des milliards de ces composants sont fabriqués chaque année.
« Nombre de ces capteurs contiennent des matériaux comme le nickel ou le cobalt », explique le Dr Denys Makarov, directeur du département des matériaux et systèmes intelligents de l’Institut de physique des faisceaux d’ions et de recherche sur les matériaux du HZDR. « Ce sont des matériaux qui peuvent nuire à l’environnement et à la santé s’ils ne sont pas éliminés correctement. » Par ailleurs, leur production requiert souvent des procédés énergivores et des étapes de fabrication complexes.
Le développement de capteurs durables représente un défi technique. Si le fer est facilement disponible et biocompatible, il ne permet pas, à lui seul, d’atteindre la sensibilité requise par de nombreux capteurs de champ magnétique actuels. L’équipe de recherche a donc combiné le fer avec de l’oxyde de fer et mis au point des particules cœur-coquille spéciales, dans lesquelles le noyau de fer est entouré d’une fine couche d’oxyde. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications .
« L’humanité connaît le fer et la cellulose depuis des siècles », explique Lin Guo, qui mène ce projet dans le cadre de sa thèse. « Le défi consiste à développer un capteur performant utilisant ces matériaux durables. » Pour ce faire, souligne-t-il, la composition et le traitement précis des particules sont essentiels. Selon l’équipe, les capteurs imprimés atteignent des niveaux de sensibilité comparables aux solutions commerciales actuelles dans certains domaines.
Les capteurs sont fabriqués par sérigraphie , un procédé plus courant dans l’industrie textile. Au lieu de retirer une grande surface de matériau, la couche de capteur est appliquée de manière ciblée. « Nous n’imprimons les capteurs que là où c’est nécessaire », explique Makarov. Cela permet d’économiser non seulement du matériau, mais aussi de l’énergie.
Technologie d’impression évolutive pour la magnétoélectronique éco-responsable : réseau de capteurs imprimé sur format DIN A4 à l’aide d’un équipement de sérigraphie industrielle. Crédit : Lin Guo
Quand les capteurs peuvent disparaître
La fin de vie des capteurs a également joué un rôle important dans leur développement. Les composants électroniques conventionnels sont généralement utilisés jusqu’à leur panne et doivent ensuite être mis au rebut. L’objectif de cette étude est d’utiliser des matériaux biodégradables ou recyclables. Ainsi, des particules cœur-coquille de fer-oxyde de fer ont été intégrées dans une matrice de matériaux biocompatibles tels que la cellulose et l’amidon. Une couche de polymères biocompatibles ou de matériaux naturels comme la cire d’abeille protège les capteurs de l’humidité et détermine leur durée de vie.
« En encapsulant les capteurs imprimés, nous pouvons contrôler leur durée de vie », explique Guo. Cette durée peut être adaptée à chaque application. Si la matrice biologique se dissout ensuite dans l’eau, il ne reste que des particules de fer oxydées. « C’est de la rouille, tout simplement », précise Denys Makarov. Les substances potentiellement toxiques, comme certains composés de nickel et de cobalt, sont volontairement exclues du procédé.
La technologie nécessaire à la fabrication de capteurs de champ magnétique imprimés a déjà fait l’objet d’une licence. L’équipe travaille désormais sur des applications concrètes, notamment dans les domaines où les composants électroniques n’ont besoin que temporairement, comme l’emballage intelligent, les dispositifs médicaux à usage unique et les systèmes de capteurs agricoles. À terme, ces capteurs de champ magnétique durables pourraient contribuer à une production électronique plus respectueuse de l’environnement.
En parallèle, l’équipe travaille déjà sur d’autres concepts. Les projets futurs porteront notamment sur des encapsulations plus durables, de nouveaux matériaux biocompatibles et l’intégration de capteurs dans des systèmes électroniques flexibles.
