Il est moulable, biocompatible et scintille comme de l’or.

Le plastique qui peut conduire une charge électrique est un matériau qui peut être utilisé pour tout, des capteurs qui peuvent surveiller notre santé aux vêtements auto-refroidissants ou aux pansements adhésifs électroniques qui peuvent être appliqués sur la peau et envoyer des données directement sur un téléphone portable. Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède ont récemment présenté une « recette » révolutionnaire qui facilite la fabrication de ce type de plastique conducteur d’électricité recherché en plus grandes quantités – sans utiliser de produits chimiques nocifs et d’une manière beaucoup plus rentable. 

« Une fois que des volumes de production plus élevés sont atteints, il est possible de travailler le matériau d’une manière complètement différente. De plus grandes quantités sont nécessaires pour permettre le développement d’une gamme d’applications, par exemple dans la biotechnologie, le stockage de l’énergie et l’électronique portable », explique Christian Müller, professeur au département de chimie et de génie chimique de Chalmers et co-auteur d’ une étude récemment publiée dans Science Advances.

Dans le laboratoire du pavillon de chimie de l’Université Chalmers, le doctorant Joost Kimpel montre comment ce matériau scintillant de couleur or peut être facilement moulé avec ses doigts gantés. Actuellement, le prix du marché pour seulement 100 grammes de ce type de plastique conducteur serait d’environ 100 000 dollars, soit environ dix fois plus que l’or réel. Mais pour le corps humain, c’est en fait l’absence de métaux qui rend ce matériau si précieux.

« Bien que certains métaux puissent se corroder dans des environnements humides, le plastique conducteur est un matériau organique avec lequel notre corps est à l’aise. Le matériau est compatible avec les propres tissus du corps, tout en étant un semi-conducteur. Il y a aussi un avantage environnemental dans le fait qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser les terres rares nécessaires à l’électronique d’aujourd’hui », explique Joost Kimpel, premier auteur de la nouvelle étude. 

Pansements adhésifs électroniques avec connectivité.

Les plastiques conducteurs, ou polymères conjugués, qui est le terme scientifique pour les désigner, suscitent un grand intérêt, et les applications sont nombreuses, notamment en biotechnologie. Selon les chercheurs, ces applications pourraient inclure des capteurs qui surveillent les conditions médicales, fournissent des informations sur la forme physique et la santé, ou ajustent l’administration de médicaments pour des maladies difficiles à traiter. Avec ce type de technologie, le corps peut être connecté à d’autres appareils électroniques portables, et même à nos téléphones portables.

Les plastiques conducteurs peuvent également être utilisés pour divers types d’implants ou être imprimés en 3D pour créer des pansements adhésifs électroniques capables de détecter une infection, par exemple.

Des recherches sur les plastiques conducteurs sont menées dans de nombreuses régions du monde. Le groupe de recherche de Christian Müller explore ce type de matériau depuis plus d’une décennie et a réalisé plusieurs avancées importantes dans le domaine.

Des résultats de laboratoire inattendus à l’origine de la dernière avancée.

La clé de la nouvelle méthode de fabrication a été découverte par hasard – lors d’une expérience de routine en laboratoire. Lorsqu’une réaction chimique se produisait trop rapidement et que le plastique résultant atteignait trop rapidement son état final, l’idée est apparue de réduire la chaleur dans le processus. C’est ce qui a conduit à la découverte qu’il était possible de produire ce matériau à température ambiante, ce qui implique beaucoup moins d’étapes, avec une consommation d’énergie plus faible et sans produits chimiques toxiques.

« Les ingrédients de notre « recette » sont bénins et peuvent être utilisés en toute sécurité dans un environnement industriel, contrairement aux substances hautement toxiques qui doivent être utilisées pour produire de nombreux polymères conjugués aujourd’hui. Éviter les produits chimiques toxiques dans le processus de production signifie un environnement de travail plus sûr pour le personnel, donne au consommateur la tranquillité d’esprit et facilite le recyclage. De plus, les coûts peuvent être considérablement réduits, car les substances toxiques nécessitent une manipulation avancée, notamment en termes de procédures de protection, de stockage et d’élimination des résidus », explique Joost Kimpel. 

Grand intérêt pour la nouvelle méthode.

Même si l’étude a été publiée très récemment, les chercheurs ont déjà noté beaucoup d’intérêt, notamment de la part des nombreux chercheurs d’autres universités qui les ont contactés. Ils espèrent maintenant que cette nouvelle méthode de production facilitera la démocratisation des plastiques conducteurs.

« Une découverte importante faite dans cette étude est que la méthode de production rend le plastique conducteur beaucoup plus performant pour conduire une charge électrique, ce qui signifie également que l’électronique qui utilise ce type de matériau peut être rendue plus puissante », explique Christian Müller.

La prochaine étape de cette recherche consistera à continuer à travailler sur une méthode qui permette de produire des volumes encore plus importants, en continu et avec exactement les mêmes résultats à chaque fois.

« Les possibilités sont grandes, mais c’est finalement à la société et au marché de décider ce qui sera développé. C’est un grand pas du laboratoire à la production à l’échelle industrielle, mais nous espérons que cette nouvelle méthode de production en bénéficiera », déclare Christian Müller.

En savoir plus sur les plastiques conducteurs.

Les polymères conjugués sont un ingrédient important pour les plastiques qui peuvent conduire l’électricité. Les polymères conjugués sont un type de semi-conducteur et ont des propriétés qui permettent de produire un nouveau type de technologie – l’électronique organique – qui peut être utilisée dans de nombreuses applications différentes telles que la conversion et le stockage d’énergie, l’électronique portable, les textiles électroniques et la biotechnologie attachée au corps ou à proximité.

Contrairement aux matériaux inorganiques tels que les métaux, les polymères conjugués peuvent être rendus souples et souples. Ils peuvent être appliqués sur des surfaces et utilisés pour fabriquer des cellules solaires, et sont compatibles avec des liquides tels que la sueur et le sang, ce qui est important pour les applications bioélectroniques. Des recherches visant à rendre les polymères conjugués stables et à améliorer leurs propriétés conductrices sont menées depuis des décennies.

Déjà dans les années 1970, on a découvert que certains types de polymères peuvent conduire l’électricité – une découverte qui a valu à Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa de recevoir le prix Nobel de chimie en 2000.

En savoir plus sur la recherche :

L’article de recherche Open-flask, ambient temperature directation arylation synthesis of mixed ionic-electronic conductors a été publié dans Science Advances. Les auteurs sont Joost Kimpel, Youngseok Kim, Hannes Schomaker, Diego R. Hinojosa, Jesika Asatryan, Jaime Martín, Renee Kroon, Michael Sommer et Christian Müller.

Ces chercheurs sont actifs à l’Université de technologie Chalmers, à l’Université de Linköping et à AutoSyn AB en Suède, à la Technische Universität Chemnitz en Allemagne et à l’Universidade da Coruña en Espagne.

La recherche est financée par le programme Horizon 2020 de l’UE, le Conseil européen de la recherche (CER) et la Fondation Knut et Alice Wallenberg.

En savoir plus sur la méthode : Comment ce plastique conducteur d’électricité est produit.

Les ingrédients de base proviennent des composés aromatiques thiénothiophène et bithiophène, qui sont les éléments constitutifs de base de nombreux semi-conducteurs organiques. Ces substances sont mélangées dans le solvant inoffensif N-butyl-2-pyrrolidone en présence d’un catalyseur au palladium.

Presque immédiatement, la solution transparente commence à changer de couleur lorsque les blocs de construction commencent à s’assembler en chaînes de polymères. Ces molécules plus grandes et plus longues constituent la base du plastique conducteur.

Une fois que la couleur est passée du jaune au rouge foncé, puis au violet foncé, la réaction est complète. Le mélange est ensuite lavé à l’aide de plusieurs solvants différents pour éliminer les impuretés. Enfin, les solvants sont éliminés par évaporation rotative – une méthode similaire à la distillation.

Après le processus de séparation, une substance dorée scintillante reste, la couleur étant une indication que le matériau est conducteur d’électricité. La production du plastique conducteur est maintenant terminée.

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Crédit image : Université de technologie Chalmers | Henrik Sandsjö.

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