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In a vacuum: Empa doctoral student Johanna Byloff prepares the samples on the coating machine of the Empa spin-off Swiss

In a vacuum: Empa doctoral student Johanna Byloff prepares the samples on the coating machine of the Empa spin-off Swiss Cluster. (Crédit : Roland Richter, Empa)

Des satellites innovants et de l’électronique flexible

par La rédaction
21 décembre 2025
en Mobilité, Spatial

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

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Tags: electroniqueisolationpolymeresatellite
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The picture that pops up before our inner eye when we hear the word "satellite" is probably this: Two extended solar “wings” and a compact body wrapped in foil with a golden or silvery shimmer. Researchers at Empa's Mechanics of Materials and Nanostructures laboratory in Thun are now working to improve precisely this foil. As its widespread use indicates, the material is crucial for satellites and space probes. It is known as multilayer insulation or superinsulation and consists of several layers of a robust polymer coated with a thin layer of metal, usually aluminum. The coated film can also be encountered on Earth, for example in the form of survival blankets.

Aboard spacecraft, superinsulation protects the electronics from temperature fluctuations. "For satellites in low Earth orbit, the temperature difference between the sun-facing side and the side facing away is around 200 degrees. A similar temperature difference also occurs when a satellite flies into the Earth's shadow or out of the shadow back to the sunlit side of the planet – and this happens 16 times a day," says Empa researcher Barbara Putz. “Electronics work best at room temperature, though.” And since it is directly exposed to space conditions, the superinsulation itself must also be resistant to extreme conditions.

An extremely resistant polymer, polyimide, is most often used as the base for the thin-film structure. In addition to its temperature and vacuum resistance, this material is also characterized by the fact that the aluminum layer adheres to it particularly well. “The reason for this is an intermediate layer, just a few nanometers thin, that forms at the interface between the polymer and the aluminum during the coating process,” explains Putz. The researcher now wants to investigate this interface in more detail – and use the intermediate layer in a targeted way. It should not only enable better superinsulation for future satellites but also accelerate the development of flexible electronics back on Earth. She received an Ambizione Grant from the Swiss National Science Foundation (SNSF) for this research project.

Five nanometers make all the difference

To better understand the intermediate layer and its effects on material properties, Putz and her doctoral student Johanna Byloff opted for a simple model system: a 50-micrometer-thick polyimide film coated with 150 nanometers of aluminum. Between the metal and the plastic, the researchers apply a coating of aluminum oxide measuring just five nanometers. Working with such a thin intermediate layer is challenging. To ensure clean processing, the researchers use a coating machine from the Empa spin-off Swiss Cluster AG, which was founded in 2020 by researchers from the Mechanics of Materials and Nanostructures laboratory. The device makes it possible to apply different coating processes to the same workpiece one after the other without removing it from the vacuum chamber.

“We use the same combination of materials that is used for space applications, such as the European Mercury probe BepiColombo or the sunshield of NASA's James Webb Space Telescope,” says Byloff. “The difference is that the thin intermediate layer forms naturally in those applications, whereas we manufacture it specifically, which allows us to adjust its properties.” The space telescope's 21-by-14-meter sunshield also illustrates the demands placed on the composite material in space. In addition to the large temperature differences, the insulating layers are exposed to mechanical stress. “On the one hand, the sunshield was stowed away during transport of the telescope and had to unfold at its destination without the layers tearing or separating from each other,” explains Byloff. “On the other hand, particles and space debris can damage the film. It is important that the damage remains localized and does not spread as long cracks across the entire surface.”

From satellites to medical sensors

The researchers put their model film through its paces, subjecting it to tensile experiments and temperature shocks and characterizing it chemically and physically. The result: The new intermediate layer makes the material more elastic and significantly more resistant to cracks and flaking. Next, the researchers want to vary the thickness of the interlayer and apply it to other polymer substrates. “The natural interlayer can only form on a few polymers and only to a thickness of around five nanometers, which limits its usefulness,” says Barbara Putz. “We expect that our artificial interlayer will enable multilayer systems on other polymers that were previously out of the question due to poor coating adhesion.”

Satellite insulation is not the only area in which flexible multilayer systems are in demand. Putz and Byloff also see a major field of application for their research in flexible electronics, which are also based on metal-coated polymer substrates. Thin-film components for electronic devices usually have several layers made of different materials. But here, too, the mechanical properties could be improved through the targeted use of thin intermediate layers. This could advance the manufacturing of foldable or rollable devices, smart textiles, and flexible medical sensors, for example.

Journal

Advanced Functional Materials

DOI

10.1002/adfm.202526343

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers

Article Publication Date

27-Nov-2025

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