Forme

Les appareils électroniques capables de se plier, de s'étirer et de se réparer eux-mêmes pourraient potentiellement fonctionner dans des applications allant des robots plus robustes aux vêtements intelligents.

Les machines qui changent de forme sont depuis longtemps un incontournable de la science-fiction, et pour cause. Considérez le pouvoir de la vilaine machine à tuer dans le film Terminator 2 : Judgment Day de 1991. Lorsque le T-1000 en métal liquide arrive, les héros réalisent rapidement qu'ils ont deux gros problèmes : premièrement, leur ennemi peut se transformer, transformant des appendices d'apparence humaine en lames mortelles. Deuxièmement, le fait de souffler des trous dans la machine la ralentit à peine ; ça peut se guérir tout seul !

Les machines d’auto-guérison sont déjà parmi nous. Bien sûr, la réalité ne correspond pas tout à fait à celle du T-1000, mais les scientifiques ont découvert que les deux capacités de la machine fictive sont étroitement liées. "La science fondamentale qui donne naissance aux matériaux auto-réparateurs est le même comportement qui leur permet de changer de forme", explique Zhenan Bao, ingénieur chimiste à l'Université de Stanford. Et ces derniers mois, les scientifiques ont développé une nouvelle variété de matériaux capables de guérir et de modifier leur forme, entre autres compétences. Les chercheurs ont utilisé ces substances pour construire de nouveaux types d'électronique avec des applications en robotique, interfaces bioélectroniques, appareils portables et écrans avancés. Ces machines pourraient également être plus respectueuses de l’environnement que celles fabriquées à partir de matériaux traditionnels comme le silicium et le métal.

La science des matériaux auto-réparateurs remonte à près de deux siècles, mais elle a véritablement pris son essor dans les années 1970. C'est à ce moment-là que les chercheurs ont commencé à étudier le potentiel d'auto-guérison des polymères, de grosses molécules constituées de parties répétées, à la manière d'une chaîne constituée de maillons. La composition de la chaîne polymère principale d'une molécule, ou « squelette », détermine une gamme de propriétés, notamment la ténacité ou l'élasticité de la molécule. Certains polymères cicatrisables nécessitent un déclencheur, tel qu’une exposition à une température, une lumière ou une pression particulière, pour renouer leurs liaisons brisées. D'autres guérissent spontanément. Ces polymères « dynamiques » utilisent des liaisons moléculaires plus faibles que celles de la plupart des molécules stables. Par exemple, de nombreux matériaux dynamiques sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène, dans lesquelles les atomes d’hydrogène chargés positivement attirent d’autres atomes chargés négativement. "Ce qui est bien avec les liaisons hydrogène, c'est qu'elles sont spontanées", explique Carmel Majidi, ingénieur en mécanique à l'Université Carnegie Mellon. « Vous n'avez pas besoin de faire fondre ou de chauffer les matériaux ; ils forment simplement ces liens au contact.

Des liaisons faibles confèrent à ces matériaux des propriétés intéressantes. « Cela ressemble à un solide. Et si on l'étire très vite, il se brise comme un solide. Mais si vous le tenez, il coule comme un liquide », explique Bao. "Les molécules ne sont pas fixées en place, donc ces réseaux de polymères se forment et se dissocient continuellement." Cette promiscuité est ce qui permet l’auto-guérison. « Lorsque nous endommageons le matériau, les liens se rompent. Mais lorsque vous assemblez les pièces, ces liaisons hydrogène se forment très facilement et le matériau retrouve ses propriétés mécaniques », explique Bao.

Le même principe est à la base de l'électronique extensible. "Ces liaisons dynamiques nous permettent d'étirer le matériau jusqu'à plusieurs centaines de fois sa taille d'origine, car les liaisons peuvent se briser et se reformer", explique Bao. L’utilisation de plusieurs types de liaisons, avec des résistances différentes, produit des matériaux à la fois souples et résistants.

Les matériaux ont cependant besoin d’autres propriétés pour être utilisés en électronique. Premièrement, ils doivent être de bons chefs d’orchestre. Cependant, la plupart des polymères sont des isolants. Une solution consiste à ajouter des particules métalliques, des nanofils ou des nanotubes de carbone à un polymère afin de rendre conducteur le matériau étirable. Bao et ses collègues ont utilisé de telles approches pour construire des « peaux électroniques » d’auto-guérison qui s’adaptent au corps et sont capables de détecter la pression et la tension et de mesurer la fréquence cardiaque.

Une autre solution est celle des métaux liquides. Dans une étude publiée plus tôt cette année, Majidi et ses collègues ont introduit des microgouttelettes d'alliage liquide dans un gel polymère parsemé de flocons d'argent. Le matériau résultant était suffisamment extensible, auto-réparateur et conducteur pour alimenter le moteur d’un robot souple. "L'objectif ultime est de construire des systèmes électroniques et robotiques qui englobent toutes les propriétés des tissus biologiques", explique Majidi, "pas seulement pour la fonctionnalité mais aussi pour la résilience et l'auto-guérison".