Fibre de carbone : la forme contrôlée par électricité

La manipulation contrôlée de fibres aussi fines, voire plus fines, qu’un cheveu humain est un véritable défi. Malgré les avancées technologiques, le changement précis et réversible de l’orientation des microfibres, à la manière de pinces, n’est pas aisé. L’équipe interdisciplinaire de chercheurs de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences a récemment développé une méthode pour contrôler la forme des microfibres par l’électricité. Cela nous rapproche d’une nouvelle solution technique en micromécanique et en robotique douce. Leur travail récent, publié dans la revue Nature Communications, démontre les premiers résultats de preuve de concept sur le mouvement de fibres de carbone vierges causé par des processus électrochimiques asymétriques se produisant dans le matériau.          

Il y a seulement quelques décennies, développer une technologie pour produire des fibres avec une section transversale bien plus petite que le diamètre d’un cheveu humain de manière contrôlée était un défi. Cependant, depuis le développement des techniques de recherche permettant d’observer des objets à l’échelle nanométrique, les progrès de la miniaturisation se sont accélérés, aboutissant au développement de nombreuses méthodes pour produire des microfibres, voire des nanofibres, à partir de nombreux matériaux. L’ingénierie des matériaux et le développement technologique ont livré de nombreux matériaux intelligents qui peuvent changer leurs propriétés à la demande en réponse à des stimuli externes.

Les polymères intelligents peuvent réagir à divers stimuli, comme l’électricité, la lumière, la chaleur, le pH d’une solution, etc., entraînant des changements dans leurs caractéristiques physico-chimiques, telles que la couleur, la forme, etc., ce qui les rend très utiles dans de nombreux domaines comme les capteurs, les textiles ou la médecine. Ces matériaux intelligents peuvent être conçus pour ne répondre qu’à des stimuli spécifiques de manière contrôlée, en revenant à l’état initial sans stimulus.

En termes de fabrication de fibres intelligentes, de nombreux efforts ont été déployés pour produire des matériaux avec la forme et la taille souhaitées pour être utilisés, par exemple, dans des muscles synthétiques qui réagissent aux signaux électriques, l’administration de médicaments sous un pH ou une température particuliers, les systèmes micro-électromécaniques qui génèrent un mouvement sous l’effet de réactions électrochimiques, les dispositifs photoelectrochimiques sous l’exposition à des ondes électromagnétiques de longueur d’onde définie, etc. Néanmoins, dans de nombreux cas, les microfibres ou nanofibres nécessitent des revêtements spécifiques ou la modification de leur structure pour répondre de manière contrôlée aux stimuli, ce qui rend leur fabrication complexe. En ce qui concerne la manipulation contrôlée du mouvement des fibres, il existe encore un grand fossé dans la disponibilité de solutions applicables. 

Récemment, des chercheurs de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences (IChF) de Varsovie, dirigés par le Dr. Wojciech Nogala, dans le cadre d’une collaboration internationale, ont démontré une avancée majeure dans le contrôle précis des fibres à base de carbone, abordant les défis de la manipulation des matériaux à l’aide de l’électricité. Dans leur travail, ils montrent que des fibres de carbone nues peuvent agir comme des actionneurs miniaturisés qui changent de forme à la demande en utilisant un outil électrochimique. Pourquoi exactement les fibres de carbone ? Elles sont bien connues pour leurs propriétés mécaniques extraordinaires. En même temps, elles sont non seulement beaucoup plus résistantes mais aussi beaucoup plus légères que l’acier ou l’aluminium, étant largement utilisées comme renfort dans les composites et également pour leurs propriétés électriques uniques.

L’idée clé démontrée par l’équipe de l’IChF est de placer une seule fibre de carbone de diamètre micrométrique à l’intérieur d’un montage électrochimique, spécifiquement une cellule bipolaire, qui est largement utilisée depuis les années 70 du siècle dernier dans la biodétection, les réacteurs électrochimiques et les batteries. Les chercheurs ont comparé deux types de fibres de carbone : lisse et asymétriquement rugueuse, dans lesquelles les ions, tels que Li⁺ et ClO₄^–, dans un électrolyte support, contenant du benzoquinone et de l’hydroquinone comme couple redox, sont insérés à la surface de la fibre sous l’application d’une tension externe.  

Fait intéressant, dans la fibre rugueuse vierge, une asymétrie dans la distribution des pores a été observée, entraînant une réponse matérielle différente par rapport à la fibre lisse. Comme le processus d’insertion ionique se produit de manière asymétrique, la fibre se plie en présence d’une tension appliquée, tandis que sa réduction conduit à une réorientation vers la position initiale. Un tel redressement est un effet de l’expulsion des ions de la surface des fibres. En d’autres termes, les ions commencent à entrer et à sortir de la fibre de carbone sous une tension appliquée suffisante, induisant le mouvement de la fibre dans une direction spécifique. Ce mouvement est réversible, et c’est important. 

Le Dr. Wojciech Nogala affirme, « Nous avons réussi à utiliser la cellule bipolaire fermée pour actionner sans fil une fibre de carbone autoportante par voie électrochimique. Une double couche électrique inégale est rendue possible par la configuration asymétrique naturelle des rainures dans la fibre, qui est l’un des facteurs fondamentaux pour produire l’asymétrie initiale nécessaire. Cela conduit à une tension et une contraction asymétriques dans la fibre. Les réactions simultanées d’oxydation et de réduction dans les deux compartiments de la cellule bipolaire permettent un actionnement sans fil. » 

« Nos résultats pourraient ouvrir des perspectives intrigantes pour les actionneurs basés sur des fibres de carbone asymétriques préfabriquées. » – remarque le Dr. Nogala.

Malgré l’absence de connexion électrique directe aux fibres dans le montage proposé, les processus électrochimiques, à savoir l’oxydation à une extrémité et la réduction à l’autre extrémité de la fibre, peuvent se produire. L’amplitude du mouvement dépend à la fois de la tension appliquée et de la longueur de la fibre. Des impulsions peuvent également être utilisées en cycles, où le changement de tension et la durée de chaque impulsion font bouger la fibre de haut en bas de manière répétée, agissant comme des pinces microscopiques. Le système proposé peut être utilisé non seulement pour une seule fibre mais aussi pour des micro-actionneurs qui pourraient être utilisés dans des dispositifs miniaturisés répondant aux besoins de nombreux domaines, des muscles synthétiques en microrobotique au contrôle du mouvement des matériaux à très petite échelle. 

Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude