Flexible, organique et biodégradable : Des chercheurs de Stanford développent une nouvelle vague d’électronique

Photo courtoisie Bao Lab : Un nouveau semi-conducteur flexible et biodégradable développé par les ingénieurs de Stanford montré sur un cheveu humain.

Stanford News – 1er mai 2017 – par Sarah Derouin

Alors que l’électronique devient de plus en plus omniprésente dans nos vies – des téléphones intelligents aux capteurs portables – il en va de même pour la quantité toujours croissante de déchets électroniques qu’ils créent. Un rapport du Programme des Nations unies pour l’environnement a révélé que près de 50 millions de tonnes de déchets électroniques ont été jetées en 2017 – soit plus de 20 % de plus que les déchets de 2015.

Troublés par cette accumulation de déchets, l’ingénieur de Stanford Zhenan Bao et son équipe repensent l’électronique. « Dans mon groupe, nous avons essayé d’imiter la fonction de la peau humaine pour réfléchir à la façon de développer de futurs dispositifs électroniques », a déclaré Bao. Elle a décrit comment la peau est extensible, auto-guérissable et biodégradable – une liste de caractéristiques intéressantes pour l’électronique. « Nous avons atteint les deux premières , donc la biodégradabilité était quelque chose que nous voulions aborder. »

L’équipe a créé un dispositif électronique flexible qui peut facilement se dégrader simplement en ajoutant un acide faible comme le vinaigre. Les résultats ont été publiés le 1er mai dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.

« C’est le premier exemple de polymère semi-conducteur qui peut se décomposer », a déclaré l’auteur principal Ting Lei, un boursier postdoctoral travaillant avec Bao.

En plus du polymère – essentiellement un plastique flexible et conducteur – l’équipe a développé un circuit électronique dégradable et un nouveau matériau de substrat biodégradable pour monter les composants électriques. Ce substrat supporte les composants électriques, se plie et se moule aux surfaces rugueuses et lisses. Lorsque le dispositif électronique n’est plus nécessaire, le tout peut se biodégrader en composants non toxiques.

Morceaux biodégradables

Bao, professeur de génie chimique et de science et génie des matériaux, avait précédemment créé une électrode extensible modelée sur la peau humaine. Ce matériau pouvait se plier et se tordre d’une manière qui pouvait lui permettre de s’interfacer avec la peau ou le cerveau, mais il ne pouvait pas se dégrader. Cela limitait son application pour les dispositifs implantables et – important pour Bao – contribuait aux déchets.

Bao a déclaré que la création d’un matériau robuste qui est à la fois un bon conducteur électrique et biodégradable était un défi, compte tenu de la chimie traditionnelle des polymères. « Nous avons essayé de réfléchir à la façon dont nous pouvons obtenir à la fois une grande propriété électronique, mais aussi la biodégradabilité », a déclaré Bao.

Enfin, l’équipe a constaté qu’en modifiant la structure chimique du matériau flexible, il se décomposait sous des facteurs de stress légers. « Nous avons eu l’idée de fabriquer ces molécules en utilisant un type spécial de liaison chimique qui peut conserver la capacité de l’électron à se transporter en douceur le long de la molécule », a déclaré Bao. « Mais aussi cette liaison chimique est sensible à un acide faible – même plus faible que le vinaigre pur ». Le résultat est un matériau qui peut transporter un signal électronique mais se décomposer sans nécessiter de mesures extrêmes.

En plus du polymère biodégradable, l’équipe a développé un nouveau type de composant électrique et un matériau de substrat qui se fixe à l’ensemble du composant électronique. Les composants électroniques sont généralement fabriqués en or. Mais pour ce dispositif, les chercheurs ont fabriqué des composants en fer. Bao a noté que le fer est un produit très respectueux de l’environnement et qu’il n’est pas toxique pour les humains.

Les chercheurs ont créé le substrat, qui porte le circuit électronique et le polymère, à partir de cellulose. La cellulose est la même substance qui compose le papier. Mais contrairement au papier, l’équipe a modifié les fibres de cellulose pour que le « papier » soit transparent et flexible, tout en se décomposant facilement. Le substrat en film mince permet de porter l’électronique sur la peau ou même de l’implanter à l’intérieur du corps.

Des implants aux plantes

La combinaison d’un polymère conducteur biodégradable et d’un substrat rend le dispositif électronique utile dans une pléthore de contextes – de l’électronique portable aux enquêtes environnementales à grande échelle avec des poussières de capteurs.

« Nous envisageons ces patchs mous très minces et conformables à la peau qui peuvent mesurer la pression artérielle, la valeur du glucose, la teneur en sueur », a déclaré Bao. Une personne pourrait porter un patch spécialement conçu pendant un jour ou une semaine, puis télécharger les données. Selon Bao, cette utilisation à court terme de l’électronique jetable semble parfaitement adaptée à une conception dégradable et flexible.

Et ce n’est pas seulement pour les enquêtes sur la peau : le substrat biodégradable, les polymères et les électrodes en fer rendent l’ensemble du composant compatible avec une insertion dans le corps humain. Le polymère se décompose en concentrations de produits bien inférieures aux niveaux acceptables publiés que l’on trouve dans l’eau potable. Bien que le polymère se soit avéré biocompatible, Bao a déclaré que d’autres études devraient être menées avant que les implants ne deviennent un phénomène régulier.

Les composants électroniques biodégradables ont le potentiel d’aller bien au-delà de la collecte de données sur les maladies cardiaques et le glucose. Ces composants pourraient être utilisés dans des endroits où les enquêtes couvrent de grandes zones dans des endroits éloignés. Lei a décrit un scénario de recherche dans lequel des composants électroniques biodégradables sont largués par avion au-dessus d’une forêt pour étudier le paysage. « Il s’agit d’une très grande zone et il est très difficile pour les gens de répandre les capteurs », a-t-il déclaré. « De plus, si vous dispersez les capteurs, il est très difficile de les récupérer. Vous ne voulez pas contaminer l’environnement, donc nous avons besoin de quelque chose qui peut être décomposé. » Au lieu que le plastique jonche le sol de la forêt, les capteurs se biodégraderaient.

A mesure que le nombre d’appareils électroniques augmente, la biodégradabilité deviendra plus importante. Lei est enthousiasmé par leurs avancées et veut continuer à améliorer les performances de l’électronique biodégradable. « Nous avons actuellement des ordinateurs et des téléphones portables et nous générons des millions et des milliards de téléphones portables, et il est difficile de les décomposer », a-t-il déclaré. « Nous espérons pouvoir développer certains matériaux qui peuvent être décomposés afin qu’il y ait moins de déchets. »

Les autres auteurs de l’étude sont Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire et Jeffrey Tok de l’Université de Stanford, Tsung-Ching Huang de Hewlett Packard Enterprise, et Lei-Lai Shao et Kwang-Ting Cheng de l’Université de Californie, Santa Barbara.

La recherche a été financée par l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air ; BASF ; le Cofund Marie Curie ; la bourse Beatriu de Pinós ; et la bourse Kodak Graduate Fellowship.

Parution originale sur Stanford news

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