Une usine électrique en caoutchouc

Des chercheurs de l’Empa ont développé un matériau élastique qui produit de l’électricité lorsqu’on le déforme. Il pourrait à l’avenir s’utiliser comme capteur, être intégré à des vêtements ou même implanté dans le corps humain, par exemple pour alimenter en électricité les stimulateurs cardiaques. Elastique, organique, mince – des propriétés que l’on ne penserait pas être à première vue attribuables à un capteur ni même encore à un générateur de courant. Pourtant le nouveau matériau que des chercheurs de l’Empa ont développé est précisément cela: un mince film organique élastique qui produit de l’électricité lorsqu’on l’étire ou le comprime. Ce film, une sorte de caoutchouc, pourrait s’incorporer à des commutateurs, des vêtements, des robots ou même dans le corps humain pour surveiller des activités, enregistrer des contacts ou produire de l’électricité en le déformant, par exemple pour alimenter des appareils implantés tels que les stimulateurs cardiaques.

Les mouvements transformés en électricité

Sa capacité de transformer les mouvements en électricité, ce caoutchouc la doit à l’effet piézoélectrique. Sur les matériaux piézoélectriques, au «repos» les centres de gravité des porteurs de charges positives et négatives se superposent et les charges sont alors équilibrées, le matériau est alors électriquement neutre vu de l’extérieur. Lorsqu’on lui applique une compression ou une traction, la structure interne du matériau se déforme, les centres de gravité des charges se déplacent dans des directions différentes et il apparaît alors une tension électrique entre les centre de gravité des charges positives et négatives. Cet effet s’utilise par exemple sur les têtes de lecture des tourne-disques analogiques. Le déplacement de l’aiguille dans le relief du sillon du disque provoque des vibrations mécaniques. Ces vibrations sont transformées en impulsions électriques dans un cristal piézoélectrique; ces impulsions sont ensuite amplifiées puis transformées en ondes acoustiques. Durant longtemps on n’a constaté cet effet piézoélectrique que sur des cristaux. Comme ceux-ci sont lourds et rigides, cet effet ne pouvait s’utiliser que pour certaines applications limitées. La chercheuse de l’Empa et ses collègues sont cependant aujourd’hui parvenus à doter des élastomères d’un effet piézoélectrique. La fabrication de ce nouveau matériau n’est cependant pas simple. Ce «caoutchouc» est un matériau composite formé de nanoparticules polaires et d’un élastomère, dans le prototype un silicone. Yee Song Ko, doctorant à l’Empa, doit tout d’abord conférer à ces deux matériaux la forme désirée pour ensuite les réticuler entre eux. Il se forme alors un film élastique mince dans lequel les restes polaires des nanoparticules sont encore orientés au hasard. Pour obtenir un matériau piézoélectrique, Song Ko doit orienter correctement les restes polaires. Il soumet pour cela le film à un fort champ électrique tout en le chauffant jusqu’à dépasser la température de transition vitreuse des nanoparticules qui passent alors d’un état vitreux solide à un état visqueux. Sous ces conditions, les restes polaires s’orientent dans le champ électrique et l’orientation obtenue est ensuite gelée en refroidissant le matériau.

Faire du corps un générateur électrique

Les possibilités d’application de cette feuille élastique novatrice sont nombreuses et variées. On pourrait l’utiliser pour réaliser des capteurs de pression. La compression du matériau produit une impulsion électrique qui peut être transmise et transformée dans des appareils. Ce qui permettrait de réaliser non seulement des commutateurs mais aussi doter des robots dotés d’une peau sensible qui ressent les contacts de pression. Cette feuille pourrait encore être utile pour confectionner des vêtements qui surveillent les activités de leurs porteurs ou produisent du courant à partir de leurs mouvements. «Il est même probable que ce matériau puisse s’utiliser pour produire de l’énergie à partir du corps humain. On pourrait, par exemple, l’implanter à proximité du coeur et produire du courant à partir des battements cardiaques», pense Dorina Opris. Ceci permettrait d’actionner les simulateurs cardiaques ou d’autres appareils implantés et de supprimer les opérations que nécessitent les changements de leurs batteries.