Des chercheurs dévoilent un plastique conducteur facile à produire et sans produits toxiques

Mia Halleröd Palmgren | Jenny Holmstrand

Il est moulable, biocompatible et brille comme de l’or. Le plastique capable de conduire une charge électrique est un matériau qui peut être utilisé pour toutes sortes de choses, des capteurs capables de surveiller notre santé aux vêtements à refroidissement automatique, en passant par les pansements adhésifs électroniques qui peuvent être appliqués sur la peau et envoyer des données directement à un téléphone portable. Des chercheurs de l’université technologique de Chalmers, en Suède, ont récemment présenté une « recette » révolutionnaire qui permet de fabriquer plus facilement et en plus grande quantité ce type de plastique conducteur d’électricité tant recherché, sans utiliser de produits chimiques nocifs et de manière beaucoup plus rentable.

« Une fois que des volumes de production plus élevés sont atteints, il est possible de travailler avec ce matériau d’une manière complètement différente. Des quantités plus importantes sont nécessaires pour permettre le développement d’une gamme d’applications, par exemple dans les domaines de la biotechnologie, du stockage d’énergie et de l’électronique portable », indique Christian Müller, professeur au département de chimie et de génie chimique de Chalmers et coauteur d’une étude récemment publiée dans Science Advances.

Dans le laboratoire du bâtiment de chimie de Chalmers, Joost Kimpel, doctorant, montre comment ce matériau scintillant de couleur dorée 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 véritable. Mais pour le corps humain, c’est en fait l’absence de métaux qui rend ce matériau si précieux.

« Alors que certains métaux peuvent se corroder dans des environnements humides, le plastique conducteur est un matériau organique qui convient parfaitement à notre corps. Ce matériau est compatible avec les tissus de l’organisme, tout en étant un semi-conducteur. Il présente également un avantage environnemental, car il ne nécessite pas l’utilisation des éléments de terres rares requis pour les appareils électroniques actuels », explique Joost Kimpel, premier auteur de la nouvelle étude.

Pansements adhésifs électroniques avec connectivité

Les plastiques conducteurs, ou polymères conjugués selon leur terme scientifique, suscitent un vif intérêt et leurs applications sont nombreuses, notamment dans le domaine de la biotechnologie. Selon les chercheurs, ces applications pourraient inclure des capteurs qui surveillent l’état de santé, fournissent des informations sur la forme physique et la santé, ou ajustent l’administration de médicaments pour les maladies difficiles à traiter. Grâce à ce type de technologie, le corps peut être connecté à d’autres appareils électroniques portables, et même à nos téléphones mobiles.

Les plastiques conducteurs peuvent également être utilisés pour divers types d’implants ou être imprimés en 3D afin de 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 de dix ans et a réalisé plusieurs avancées importantes dans ce domaine.

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

La clé de la nouvelle méthode de fabrication a été découverte tout à fait par hasard, lors d’une expérience de routine en laboratoire. Lorsqu’une réaction chimique s’est produite trop rapidement et que le plastique obtenu a atteint son état final trop vite, l’idée est venue de réduire la chaleur dans le processus. C’est ce qui a conduit à la découverte qu’il est possible de produire ce matériau à température ambiante, en un nombre d’étapes nettement réduit, avec une consommation d’énergie moindre et sans produits chimiques toxiques.

« Les ingrédients de notre « recette » sont inoffensifs et peuvent être utilisés en toute sécurité dans un environnement industriel, contrairement aux substances hautement toxiques qui doivent être utilisées aujourd’hui pour produire de nombreux polymères conjugués. Éviter les produits chimiques toxiques dans le processus de production signifie un environnement de travail plus sûr pour le personnel, une tranquillité d’esprit pour le consommateur et un recyclage plus facile. 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 », ajoute Joost Kimpel.

Un grand intérêt pour la nouvelle méthode

Bien que l’étude ait été publiée très récemment, les chercheurs ont déjà constaté un vif intérêt, notamment de la part des nombreux chercheurs d’autres universités qui les ont contactés. Ils espèrent désormais que cette nouvelle méthode de production facilitera la diffusion à plus grande échelle des plastiques conducteurs.

« Une découverte importante de cette étude est que la méthode de production améliore considérablement la conductivité électrique du plastique, ce qui signifie également que les composants électroniques utilisant ce type de matériau peuvent être plus puissants », précise Christian Müller.

La prochaine étape de cette recherche consistera à continuer à travailler sur une méthode permettant de produire des volumes encore plus importants, de manière continue 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. Il y a un grand pas entre le laboratoire et la production à l’échelle industrielle, mais nous espérons que cette nouvelle méthode de production sera bénéfique », indique Christian Müller.

En savoir plus sur les plastiques conducteurs

Les polymères conjugués sont un composant important des plastiques conducteurs d’électricité. Les polymères conjugués sont un type de semi-conducteur et possèdent 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 proche de celui-ci.

Contrairement aux matériaux inorganiques tels que les métaux, les polymères conjugués peuvent être rendus souples et flexibles. 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 stabiliser les polymères conjugués et à améliorer leurs propriétés conductrices sont menées depuis des décennies.

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

Comment ce plastique conducteur d’électricité est-il produit ?

Les ingrédients de base proviennent des composés aromatiques thiénothiophène et bithiophène, qui sont les éléments constitutifs 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 à mesure que les éléments constitutifs s’assemblent en chaînes 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 terminée. Le mélange est ensuite lavé à l’aide de plusieurs solvants différents afin d’éliminer les impuretés. Enfin, les solvants sont éliminés par évaporation rotative, une méthode similaire à la distillation.

Après le processus de séparation, il reste une substance dorée scintillante, dont la couleur indique que le matériau est électriquement conducteur. La production du plastique conducteur est maintenant terminée.

Article « Open-flask, ambient temperature direct arylation synthesis of mixed ionic-electronic conductorshas » dans Science Advances. Auteurs : Joost Kimpel, Youngseok Kim, Hannes Schomaker, Diego R. Hinojosa, Jesika Asatryan, Jaime Martín, Renee Kroon, Michael Sommer et Christian Müller. DOI : 10.1126/sciadv.adv8168