Concevoir des matériaux « BTS » avancés pour la température et la durée

Article du 20 février 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les scientifiques en matériaux s'inspirent souvent de la nature et utilisent donc des composés biologiques comme indices pour concevoir des matériaux avancés. Il est possible d’imiter la structure moléculaire et les motifs fonctionnels de matériaux artificiels pour offrir un modèle pour diverses fonctions. Dans un nouveau rapport paru dans Science Advances, Tae Hyun Kim et une équipe de recherche du California Institute of Technology et du Samsung Advanced Institute of Technology aux États-Unis et en Corée du Sud, ont créé un polymère biomimétique flexible à détection thermique, en abrégé BTS, qu'ils ont conçu pour imiter la dynamique du transport des ions de la pectine ; un composant de la paroi cellulaire végétale.

Les chercheurs ont utilisé un procédé de synthèse polyvalent et ont conçu les propriétés du polymère pour qu'il soit de nature élastique, flexible et extensible. Le polymère flexible a surpassé les matériaux de détection de température de pointe tels que l'oxyde de vanadium. Malgré les déformations mécaniques, le matériau intégré au capteur thermique a montré une sensibilité élevée et une fonctionnalité stable entre 15° et 55° Celsius. Les propriétés du polymère flexible BTS le rendent bien adapté pour cartographier les variations de température dans l’espace-temps et faciliter la photodétection infrarouge à large bande pertinente pour une variété d’applications.

Les matériaux électroniques organiques constituent des alternatives compétitives à la microélectronique conventionnelle à base de silicium en raison de leur nature rentable et multifonctionnelle. Les scientifiques des matériaux cherchent à adapter les propriétés de ces matériaux au niveau moléculaire pour une gamme d'applications de détection pour les dispositifs portables et implantables présentant des caractéristiques spécifiques telles que la flexibilité et l'élasticité. À l’heure actuelle, il existe une demande croissante de dispositifs électroniques entièrement organiques pour former une gamme de matériaux souples et actifs. Par exemple, les capteurs thermiques organiques conviennent aux soins de santé à distance et à la robotique, bien qu’avec certaines limites.

Les chercheurs ont donc cherché à développer des matériaux organiques ayant une réponse thermique et une flexibilité élevées en utilisant un échafaudage relativement simple grâce à des études récentes sur la pectine ; un composant de la paroi cellulaire végétale constitué d'un polysaccharide structurellement et fonctionnellement complexe. Étant donné que les dispositifs développés avec de la pectine comme élément de détection sont structurellement instables, Kim et ses collègues ont introduit un nouveau polymère de détection thermique biomimétique (BTS) flexible, bioinspiré des motifs structurels et fonctionnels de la pectine. Les chercheurs ont utilisé une méthode de polymérisation radicalaire polyvalente et vivante pour concevoir des structures présentant une stabilité mécanique et une flexibilité inhérentes, adaptées aux matériaux électroniques organiques.

Les scientifiques ont créé l'architecture du polymère en réduisant la structure complexe de la pectine à un squelette plus simple avec un complexe de boîte à œufs et en ajoutant une stabilité mécanique au polymère. L'équipe a vérifié les composants structurels du copolymère bloc en utilisant la chromatographie par perméation de gel et des mesures de résonance magnétique nucléaire. L’équipe a ajouté des ions calcium divalents dans la solution flexible de polymère BTS pour révéler un réseau de réticulations ioniques.

Ils ont surveillé le processus avec une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance totale atténuée pour comprendre le comportement de la formation du film, où les pics caractéristiques indiquaient les structures du polymère conçu. Ils ont fait varier la concentration d'ions pour étudier plus en détail la fonctionnalité du film.