Ces dernières années, les chercheurs ont synthétisé divers nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés pour développer des systèmes robotiques, des dispositifs et des interfaces homme-machine plus avancés. Ces matériaux comprennent des aérogels de graphène, des matériaux ultralégers, poreux et à base de graphène constitués d’une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeilles 2D.
Si les aérogels de graphène présentent de nombreuses propriétés avantageuses, notamment un poids minimum, une porosité élevée et une bonne conductivité électrique, les ingénieurs qui ont tenté de les utiliser pour développer des capteurs de pression ont rencontré quelques difficultés. Plus précisément, bon nombre de ces matériaux ont une microstructure intrinsèquement rigide, ce qui limite leurs capacités de détection de déformation.
Des chercheurs de l’Université Xi’an Jiaotong, de l’Université de Northumbria (Royaume-Uni), de l’UCLA, de l’Université de l’Alberta et d’autres instituts ont récemment introduit une nouvelle stratégie de fabrication pour synthétiser des métamatériaux d’aérogel afin de surmonter cette limitation. Cette stratégie, décrite dans un papier dans Nanolettresfabrique un métamatériau d’aérogel durable à base d’oxyde de graphène qui présente une sensibilité remarquable au toucher et au mouvement humain.
« La recherche était uniquement motivée par la curiosité de mon étudiant, détectant occasionnellement un changement de structure anormal dans la section transversale d’un plan particulier », a déclaré le Dr Ben Xu, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Ce changement de phase anisotrope a suscité l’intérêt. Nous avons vite réalisé que le changement de fonction associé pourrait permettre une belle fonction de détection de pression directionnelle. »
La stratégie de l’équipe pour fabriquer des métamatériaux à base d’oxyde de graphène s’étend sur deux étapes clés. Ceux-ci incluent l’utilisation d’une technique de déshydratation connue sous le nom de lyophilisation et d’un processus de traitement thermique appelé recuit.
« La pré-solution contient également un produit chimique spécifique qui agit comme une « colle » de graphène pour construire la section transversale de type nid d’abeille », a expliqué le Dr Xu. « La configuration structurelle de la section transversale sur le plan dédié est réalisée par recuit thermique, qui peut être réglé par micro/nano-mécanique. Grâce à cette stratégie simple, la section transversale déformée a été obtenue lors du premier essai. »
À l’aide de la stratégie de fabrication proposée, le Dr Xu et ses collègues ont synthétisé un métamatériau d’aérogel de chitosane réticulé anisotrope et d’oxyde de graphène réduit (CCS-rGO). Ce matériau s’est avéré présenter une hyperélasticité directionnelle remarquable, une durabilité extraordinaire, d’excellentes performances mécaniques et électriques, une longue portée de détection et une très haute sensibilité aux stimuli de 121,45 kPa-1.
« Nous menons actuellement des recherches multidisciplinaires avec des intérêts divers dans les matériaux fonctionnels et la technologie énergétique, l’ingénierie durable, les matériaux de soins de santé, la chimie des matériaux, les matériaux/surfaces réactifs et la micro-ingénierie », a déclaré le Dr Xu.
L’équipe du Dr Xu de l’Université de Northumbria mène actuellement d’autres études visant à développer des métamatériaux prometteurs pour diverses applications technologiques. À l’avenir, la stratégie de fabrication proposée pourrait contribuer à la synthèse de métamatériaux supplémentaires d’aérogel à base d’oxyde de graphène, ce qui pourrait faire progresser les interfaces homme-machine pour les soins de santé et les prothèses avancés.
Une autre piste de développement de tels capteurs concerne l’énergie éolienne.
« Nous nous sommes récemment beaucoup concentrés sur les matériaux fonctionnels et la technologie d’ingénierie pour le secteur de l’énergie éolienne offshore », a ajouté le Dr Xu. « Nous sommes également impatients d’appliquer nos recherches sur les matériaux et les capteurs dans le cadre de la nouvelle action EU COST CA23155, pour faire progresser la nouvelle tribologie océanique. Ce projet se concentre sur l’énergie éolienne offshore, qui contribue à l’objectif mondial de zéro émission nette et de durabilité.
Plus d’informations :
Yuhao Wang et al, Métamatériaux d’aérogel d’oxyde de graphène reconfigurés par microstructure pour une détection directionnelle ultrarobuste aux interfaces homme-machine. NanoLettres(2024). DOI : 10.1021/acs.nanolett.4c03706
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