Yue (Jessica) Wang
Les scientifiques souhaitent développer de nouveaux matériaux pour des appareils électroniques portables légers, flexibles et abordables afin qu’un jour, la chute de nos smartphones n’entraîne pas de dommages irréparables. Une équipe de l’Université de Californie, Merced, a fabriqué des films polymères conducteurs qui durcissent en réponse à l’impact plutôt que de se briser, un peu comme si un mélange d’amidon de maïs et d’eau en quantités appropriées produisait une bouillie qui est liquide lorsqu’elle est agitée lentement mais qui durcit lorsqu’elle est agitée. vous le frappez (c’est-à-dire « oobleck »). Ils ont décrit leur travail lors d’une conférence lors de la réunion de cette semaine de l’American Chemical Society à la Nouvelle-Orléans.
« L’électronique à base de polymères est très prometteuse », a déclaré Di Wu, postdoctorant en science des matériaux à l’UCM. « Nous voulons rendre l’électronique polymère plus légère, moins chère et plus intelligente. [With our] système, [the polymers] peut devenir plus dur et plus fort lorsque vous effectuez un mouvement brusque, mais… flexible lorsque vous effectuez simplement votre mouvement quotidien et de routine. Ils ne sont pas constamment rigides ni constamment flexibles. Ils réagissent simplement aux mouvements de votre corps. »
Comme nous l’avons déjà signalé, l’oobleck est simple et facile à réaliser. Mélangez une partie d’eau à deux parties de fécule de maïs, ajoutez une pincée de colorant alimentaire pour vous amuser, et vous obtenez de l’oobleck, qui se comporte comme un liquide ou un solide, selon le niveau de stress appliqué. Remuez-le lentement et régulièrement et c’est un liquide. Frappez-le fort et il deviendra plus solide sous votre poing. C’est un exemple classique de fluide non newtonien.
Dans un fluide idéal, la viscosité dépend en grande partie de la température et de la pression : l’eau continuera à couler quelles que soient les autres forces agissant sur elle, comme l’agitation ou le mélange. Dans un fluide non newtonien, la viscosité change en réponse à une déformation ou une force de cisaillement appliquée, chevauchant ainsi la frontière entre le comportement liquide et solide. Remuer une tasse d’eau produit une force de cisaillement et l’eau se déplace pour s’écarter. La viscosité reste inchangée. Mais pour les fluides non newtoniens comme l’oobleck, la viscosité change lorsqu’une force de cisaillement est appliquée.
Le ketchup, par exemple, est un fluide non newtonien épaississant par cisaillement, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles le fait de frapper le fond de la bouteille ne fait pas sortir le ketchup plus rapidement ; l’application d’une force augmente la viscosité. Le yaourt, la sauce, la boue et le pudding en sont d’autres exemples. Et Oobleck aussi. (Le nom dérive d’un livre pour enfants du Dr Seuss de 1949, Barthélemy et l’Oobleck.) En revanche, la peinture qui ne coule pas présente un effet « diluant au cisaillement », s’appliquant facilement au pinceau mais devenant plus visqueuse une fois appliquée sur le mur. L’année dernière, des scientifiques du MIT ont confirmé que la friction entre les particules était essentielle à cette transition liquide-solide, identifiant un point de bascule lorsque la friction atteignait un certain niveau et que la viscosité augmentait brusquement.
Wu travaille dans le laboratoire du scientifique des matériaux Yue (Jessica) Wang, qui a décidé d’essayer d’imiter le comportement d’épaississement par cisaillement de l’oobleck dans un matériau polymère. Les composants électroniques polymères flexibles sont généralement fabriqués en reliant entre eux des polymères conducteurs conjugués, longs et fins, comme des spaghettis. Mais ces matériaux se briseront quand même en réponse à des impacts particulièrement importants et/ou rapides.
Wu et Wang ont donc décidé de combiner les polymères de type spaghetti avec des molécules de polyaniline plus courtes et du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate, ou PEDOT: PSS, soit quatre polymères différents en tout. Deux des quatre ont une charge positive et deux une charge négative. Ils ont utilisé ce mélange pour fabriquer des films extensibles et ont ensuite testé les propriétés mécaniques.
Et voilà, les films se comportaient un peu comme un oobleck, se déformant et s’étirant en réponse à l’impact plutôt que de se briser. Wang a comparé la structure à un grand bol de spaghettis et de boulettes de viande, car les molécules chargées positivement n’aiment pas l’eau et se regroupent donc en microstructures en forme de boules. Elle et Wu suggèrent que ces microstructures absorbent l’énergie d’impact et s’aplatissent sans se briser. Et il ne faut pas beaucoup de PEDOT:PSS pour obtenir cet effet : seulement 10 % suffisaient.
D’autres expériences ont identifié un additif encore plus efficace : des nanoparticules de 1,3-propanediamine chargées positivement. Ces particules peuvent affaiblir les interactions polymères « boulettes de viande » juste assez pour qu’elles puissent se déformer encore plus en réponse aux impacts, tout en renforçant les interactions entre les longs polymères enchevêtrés ressemblant à des spaghettis.
La prochaine étape consiste à appliquer leurs films polymères sur des appareils électroniques portables tels que des bracelets et des capteurs de montres intelligentes, ainsi que sur des appareils électroniques flexibles pour surveiller la santé. Le laboratoire de Wang a également expérimenté une nouvelle version du matériau qui serait compatible avec l’impression 3D, ouvrant ainsi encore plus de possibilités. « Il existe un certain nombre d’applications potentielles et nous sommes impatients de voir où cette nouvelle propriété non conventionnelle nous mènera », a déclaré Wang.