Des nanocomposites à base de graphène pour des dispositifs électroniques imprimés en 3D
Le prototypage rapide est bien connu pour son caractère pratique et sa rentabilité. Grâce aux imprimantes 3D, les entreprises peuvent réduire la durée de la période allant de la conception au produit final, ce qui leur permet, par la même occasion, de réaliser d’importantes économies. Cependant, si la technique elle-même est bien huilée, les matériaux peuvent encore être améliorés. «Actuellement, la technologie d’impression 3D peut être classée selon le matériau utilisé pour l’impression des prototypes. Les thermoplastiques tels que l’ABS ou le PLA figurent parmi les matériaux les plus utilisés: faciles à mouler et très rentables, cette première caractéristique en fait le matériau privilégié pour la fabrication additive», déclare la Dr Maria Soria, chercheuse en chimie de l’état solide à l’Institut de la science des matériaux de Barcelone (ICMAB). Mais cette facilité de moulage n’est pas seulement une qualité. En fait, cette propriété peut rapidement devenir un inconvénient, puisque la résistance du matériau dépend du gradient de température (une quantité physique qui décrit dans quelle direction et à quel rythme la température change le plus rapidement autour d’un point précis): les thermoplastiques deviennent rapidement inutilisables lorsqu’il s’agit d’imprimer des prototypes exigeant une résistance thermique spéciale. De plus, ils ne sont pas conducteurs, ce qui limite également leur utilisation. Il semble dès lors normal que les chercheurs essayent de trouver de nouveaux matériaux possédant de meilleures propriétés structurelles et conductrices. Le graphène, avec sa conductivité élevée, sa résistance mécanique et ses structures de pores hiérarchiques et canaux poreux, constitue un candidat idéal. «L’idée serait d’utiliser le graphène ou ses dérivés tout en conservant les avantages connexes des thermoplastiques, tels que leur capacité de moulage. Nous estimons que l’utilisation de matériaux nanocomposites enrichis en graphène dans le domaine de l’impression 3D pourrait avoir un effet “de rupture” sur le marché», explique la Dr Soria. Grâce au financement dans le cadre du projet 3D-PRINTGRAPH (Graphene reinforce composites for 3D printing technology), la Dr Soria s’est lancée dans une entreprise de deux ans pour «fusionner» le stratifié de graphène avec des polymères aux points de fusion les plus bas pour une utilisation future dans le domaine de l’impression 3D. En cas de succès, le projet pourrait ouvrir la voie à la fabrication de dispositifs électroniques tels que les batteries, les capteurs et les antennes à radiofréquence. «Nous avons déjà réalisé la synthèse et la caractérisation des composites PLA, ABS, PCL et PCL-Diol avec le graphène, des procédés qui exigent d’abord la synthèse du graphène. Nous avons utilisé le graphite comme précurseur et, au moyen de son oxydation et de sa réduction chimique ultérieure, nous avons obtenu un oxyde de graphène réduit (RGO) qui présente des propriétés similaires à celles du graphène. À partir de là, nous avons synthétisé les composites avec une charge en graphène de 4 % pour obtenir des matériaux avec une homogénéité visible dans tous les cas», explique la Dr Soria. Même si le projet ne s’achève pas avant la fin du mois d’août, les nouveaux composites présentent déjà une meilleure résistance mécanique et thermique que les polymères sans charge en graphène. Cependant, les chercheurs ont constaté que 4 % de graphène – la quantité maximale qui permet de maintenir une viscoélasticité et une adhérence adéquates dans le matériau final – ne suffit pas pour assurer la conductivité. «Nous devons maintenant envisager de nouvelles méthodes pour homogénéiser les mélanges polymère-graphène, ou même pour augmenter la quantité de graphène dans le mélange pour assurer le contact entre les couches de graphène et améliorer la conductivité», poursuit la Dr Soria. Outre ce travail, qui est crucial pour le projet, la Dr Soria et son équipe ont développé des nanocomposites à base de polymères photodurcissables et de graphène, pour assurer le maintien des étapes du projet et améliorer l’efficacité générale de la recherche. Comme elle le remarque, ce volet complète la nature révolutionnaire du projet. Si tout se déroule comme prévu, le consortium prévoit de former un partenariat avec Hewlett-Packard à Barcelone pour tester sur leurs imprimantes 3D les nanocomposites au graphène mis au point dans le cadre du projet.
Mots‑clés
3D-PRINTGRAPH, nanocomposites, impression 3D, graphène, conducteur, composites
