Des satellites innovants et de l’électronique flexible

L’image qui surgit devant notre œil intérieur lorsque nous entendons le mot « satellite » est probablement celle-ci : deux « ailes » solaires déployées et un corps compact enveloppé dans une feuille aux reflets dorés ou argentés.

Des chercheurs du laboratoire Mécanique des matériaux et nanostructures de l’Empa à Thoune travaillent actuellement à l’amélioration de cette feuille précisément. Comme son utilisation répandue l’indique, ce matériau est crucial pour les satellites et les sondes spatiales. Il est connu sous le nom d’isolation multicouche ou super-isolation et se compose de plusieurs couches d’un polymère robuste recouvert d’une fine couche de métal, généralement de l’aluminium. Le film revêtu peut également être rencontré sur Terre, par exemple sous la forme de couvertures de survie.

À bord des engins spatiaux, la super-isolation protège l’électronique des fluctuations de température. « Pour les satellites en orbite basse, la différence de température entre le côté exposé au soleil et le côté opposé est d’environ 200 degrés. Une différence de température similaire se produit également lorsqu’un satellite entre dans l’ombre de la Terre ou en sort pour retourner du côté éclairé de la planète – et cela se produit 16 fois par jour« , explique la chercheuse de l’Empa Barbara Putz. L’électronique fonctionne toutefois mieux à température ambiante. Et puisqu’elle est directement exposée aux conditions spatiales, la super-isolation elle-même doit également être résistante aux conditions extrêmes.

Un polymère extrêmement résistant, le polyimide, est le plus souvent utilisé comme base pour la structure en film mince. Outre sa résistance à la température et au vide, ce matériau se caractérise également par le fait que la couche d’aluminium y adhère particulièrement bien. « La raison en est une couche intermédiaire, d’à peine quelques nanomètres d’épaisseur, qui se forme à l’interface entre le polymère et l’aluminium pendant le processus de revêtement« , précise Putz. La chercheuse souhaite maintenant étudier cette interface plus en détail – et utiliser la couche intermédiaire de manière ciblée. Elle devrait non seulement permettre une meilleure super-isolation pour les futurs satellites, mais aussi accélérer le développement de l’électronique flexible sur Terre. Elle a reçu une bourse Ambizione du Fonds national suisse (FNS) pour ce projet de recherche.

Cinq nanomètres font toute la différence

Pour mieux comprendre la couche intermédiaire et ses effets sur les propriétés des matériaux, Putz et sa doctorante Johanna Byloff ont opté pour un système modèle simple : un film de polyimide de 50 micromètres d’épaisseur recouvert de 150 nanomètres d’aluminium. Entre le métal et le plastique, les chercheurs appliquent un revêtement d’oxyde d’aluminium mesurant seulement cinq nanomètres. Travailler avec une couche intermédiaire aussi fine est un défi. Pour garantir un traitement propre, les chercheurs utilisent une machine de revêtement de la spin-off de l’Empa Swiss Cluster AG, fondée en 2020 par des chercheurs du laboratoire Mécanique des matériaux et nanostructures. L’appareil permet d’appliquer différents processus de revêtement sur la même pièce les uns après les autres sans la retirer de la chambre à vide.

Nous utilisons la même combinaison de matériaux que celle utilisée pour les applications spatiales, comme la sonde européenne Mercure BepiColombo ou l’écran solaire du télescope spatial James Webb de la NASA, indique Byloff. La différence est que la fine couche intermédiaire se forme naturellement dans ces applications, alors que nous la fabriquons spécifiquement, ce qui nous permet d’ajuster ses propriétés. L’écran solaire de 21 sur 14 mètres du télescope spatial illustre également les exigences imposées au matériau composite dans l’espace. Outre les grandes différences de température, les couches isolantes sont exposées à des contraintes mécaniques. D’une part, l’écran solaire a été rangé pendant le transport du télescope et a dû se déployer à sa destination sans que les couches ne se déchirent ou ne se séparent les unes des autres, explique Byloff. D’autre part, des particules et des débris spatiaux peuvent endommager le film. Il est important que les dommages restent localisés et ne se propagent pas sous forme de longues fissures sur toute la surface.

Des satellites aux capteurs médicaux

Les chercheurs ont mis leur film modèle à l’épreuve, le soumettant à des essais de traction et à des chocs thermiques, et l’ont caractérisé chimiquement et physiquement. Le résultat : la nouvelle couche intermédiaire rend le matériau plus élastique et nettement plus résistant aux fissures et à l’écaillage. Ensuite, les chercheurs souhaitent faire varier l’épaisseur de la couche intermédiaire et l’appliquer à d’autres substrats polymères. « La couche intermédiaire naturelle ne peut se former que sur quelques polymères et seulement sur une épaisseur d’environ cinq nanomètres, ce qui limite son utilité« , déclare Barbara Putz. « Nous nous attendons à ce que notre couche intermédiaire artificielle permette des systèmes multicouches sur d’autres polymères qui étaient auparavant exclus en raison d’une mauvaise adhérence du revêtement. »

L’isolation des satellites n’est pas le seul domaine où les systèmes multicouches flexibles sont demandés. Putz et Byloff voient également un important champ d’application pour leurs recherches dans l’électronique flexible, qui repose également sur des substrats polymères revêtus de métal. Les composants en couches minces pour les appareils électroniques ont généralement plusieurs couches constituées de matériaux différents. Mais là aussi, les propriétés mécaniques pourraient être améliorées par l’utilisation ciblée de fines couches intermédiaires. Cela pourrait faire progresser la fabrication d’appareils pliables ou enroulables, de textiles intelligents et de capteurs médicaux flexibles, par exemple.

Article : From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers – Journal : Advanced Functional Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : EMPA