Un plastique extensible conduit l’électricité grâce à des fibres microscopiques

Ty Tkacik

Un plastique extensible et conducteur pourrait alimenter la prochaine génération d’appareils biomédicaux implantables, comme des pacemakers ou des moniteurs de glucose plus durables, selon Enrique Gomez, professeur de génie chimique à Penn State.

En utilisant une technologie d’imagerie avancée pour examiner un matériau extensible couramment utilisé dans la robotique douce et les écrans tactiles, le PEDOT:PSS, Gomez et son équipe ont découvert que l’ajout de différents additifs salins et d’eau permettait au matériau de développer des fibres semblables à des cheveux capables de conduire efficacement l’électricité. D’après les chercheurs, qui ont récemment publié leurs découvertes dans Nature Communications, des modifications mineures du plastique peuvent avoir un impact majeur sur ses propriétés physiques et sa conductivité.

L’un des principaux défis du développement d’appareils biocompatibles est d’équilibrer les différentes manières dont les ordinateurs et le corps humain font circuler les courants électriques, explique Gomez. Bien que le corps et les ordinateurs conduisent l’électricité, ils le font différemment.

« Nos nerfs et nos neurones font circuler l’électricité dans notre corps en utilisant des courants ioniques, qui sont essentiellement des circuits construits à partir de mélanges de sel et d’ions dans le corps », affirme Gomez, qui est également doyen associé pour l’équité et l’inclusion au Collège d’ingénierie de Penn State. « Les ordinateurs conduisent l’électricité en déplaçant des électrons à travers des fils métalliques et des semi-conducteurs au silicium. Le PEDOT:PSS est un matériau remarquable en ce qu’il peut conduire des électrons, tout en restant sensible aux courants ioniques existants dans le corps. »

Malgré son utilité, les chercheurs ne comprennent pas entièrement comment ce matériau fonctionne, selon Gomez. Pour en savoir plus, son équipe a utilisé une technologie de microscope hautement avancée, la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), pour examiner le plastique de type gel. Contrairement aux microscopes traditionnels, qui focalisent la lumière à travers des lentilles pour agrandir une image, les microscopes cryo-EM utilisent le flux d’électrons pour examiner les matériaux avec l’une des résolutions les plus élevées possibles.

« Ce sont certains des microscopes les plus avancés au monde, car ils peuvent être utilisés pour imager des choses comme les virus, les protéines et les polymères, que nous spécialisons à Penn State », souligne Gomez. « Nous vivons une révolution en microscopie, car ces machines nous permettent d’imager des matériaux avec un niveau de détail incroyablement élevé. »

L’équipe a placé une petite goutte du matériau enfermée dans un film nanoscopique mince, représentant seulement une fraction de l’épaisseur d’un cheveu humain. Ils ont répété ce processus plusieurs fois, apportant des ajustements mineurs à la composition chimique de chaque échantillon en ajoutant différents types de sel. Ils ont ensuite plongé les échantillons dans de l’éthane liquide maintenu à -180 degrés Celsius (C) — légèrement plus chaud que la surface de la lune la nuit. Cela permet d’éviter que les échantillons de matériau ne brûlent à cause des températures élevées produites par les électrons, et permet à l’équipe d’examiner comment différents additifs salins impactent le transfert d’ions et d’électrons dans le matériau.

En gelant les échantillons et en les examinant au niveau atomique, l’équipe a identifié comment la structure moléculaire du gel, et plus précisément la présence d’additifs salins, joue un rôle majeur dans sa polyvalence. À l’intérieur du matériau, des fibres semblables à des poils aident à conduire les ions et les électrons — les échantillons avec du sel ajouté affichaient un nombre plus élevé de fibres, ce qui augmentait à son tour la conductivité du matériau.

Pour mieux comprendre le matériau, l’équipe a comparé des échantillons avec et sans eau absorbée ajoutée. Lorsque l’eau est présente, elle adoucit le PEDOT:PSS et le rend plus extensible. Les chercheurs ont également constaté que l’ajout de sels de lithium augmente l’absorption d’eau du matériau, améliorant ainsi son extensibilité. Cependant, à l’état sec, le PEDOT:PSS devient cassant quelle que soit sa teneur en sel — soulignant le rôle crucial de l’eau dans la détermination des propriétés mécaniques du matériau, ainsi que la manière dont les additifs salins peuvent améliorer ces propriétés. Selon Gomez, comme la conductivité électrique change très peu avec l’absorption d’eau, le PEDOT:PSS peut réaliser la combinaison remarquable d’une grande extensibilité et d’une conductivité stable nécessaire aux bio-appareils électroniques émergents.

Ce comportement, qui indique que les additifs salins jouent un rôle dans la structuration et l’extensibilité du plastique, n’avait pas été observé auparavant, explique Gomez.

« Même après avoir introduit de l’eau dans le matériau, les fibres restent dans la structure », révèle Gomez. « Nous pensons que c’est ainsi que nous pouvons maintenir la conductivité résultant de l’ajout de sels, même après avoir utilisé de l’eau pour gonfler le matériau en une texture extensible semblable à un gel qui peut être facilement interfacée avec les systèmes biologiques. »

À l’avenir, l’équipe prévoit de continuer à étudier et à imager le PEDOT:PSS. Gomez explique qu’il reste beaucoup à apprendre sur la façon dont les additifs salins impactent la formation des fibres sur le matériau, ainsi que sur son fonctionnement et ses applications optimales.

« Nous ne comprenons pas encore pleinement comment ces sels interagissent avec les matériaux polymères », précise Gomez. « Établir ce lien nous permettrait d’optimiser davantage ce plastique et d’améliorer considérablement les pacemakers, les capteurs épidermiques et l’électromyographie, une procédure utilisée pour évaluer la fonction nerveuse et musculaire. »

Article : Cryogenic transmission electron microscopy reveals assembly and nanostructure of PEDOT:PSS – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : PSU