Des scientifiques deAVECont démontré une manière systématique de produire des nanofibres par électrofilage qui stimule la production tout en réduisant la consommation d'énergie de 92 pour cent.
Les nanofibres – des filaments polymères de seulement quelques centaines de nanomètres de diamètre – ont une vaste gamme d'applications potentielles, des cellules solaires à la filtration de l'eau en passant par les piles à combustible. Mais jusqu’à présent, leur coût de fabrication élevé les a relégués dans quelques industries de niche.
Dans le dernier numéro de la revueNanotechnologie, des chercheurs du MIT décrivent une nouvelle technique de production de nanofibres qui multiplie par quatre le taux de production tout en réduisant la consommation d'énergie de plus de 90 pour cent, ouvrant ainsi la perspective d'une production efficace et bon marché de nanofibres.
"Nous avons démontré une manière systématique de produire des nanofibres par électrofilage qui dépasse l'état de l'art", déclare Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories du MIT, qui a dirigé les nouveaux travaux. "Mais la façon dont cela est fait ouvre une possibilité très intéressante. Notre groupe et de nombreux autres groupes travaillent pour pousser plus loin l'impression 3D, afin de permettre d'imprimer des composants qui transduisent, actionnent et échangent de l'énergie entre différents domaines, comme le solaire à l'électrique ou à la mécanique. Nous avons quelque chose qui s'inscrit naturellement dans cette image. Nous avons une gamme d'émetteurs qui peuvent être considérées comme une imprimante matricielle, où vous pourriez contrôler individuellement chaque émetteur pour imprimer des dépôts de nanofibres. "
Conte enchevêtré
Les nanofibres sont utiles pour toute application qui bénéficie d’un rapport surface/volume élevé – les cellules solaires, par exemple, qui tentent de maximiser l’exposition à la lumière du soleil, ou les électrodes de piles à combustible, qui catalysent les réactions à leur surface. Les nanofibres peuvent également produire des matériaux qui ne sont perméables qu'à très petite échelle, comme les filtres à eau, ou qui sont remarquablement résistants pour leur poids, comme les gilets pare-balles.
La technique standard de fabrication des nanofibres est appelée électrofilage et se décline en deux variétés. Dans le premier cas, une solution de polymère est pompée à travers une petite buse, puis un fort champ électrique l'étire. Le processus est cependant lent et le nombre de buses par unité de surface est limité par la taille du système hydraulique de la pompe.
L'autre approche consiste à appliquer une tension entre un tambour rotatif recouvert de cônes métalliques et une électrode collectrice. Les cônes sont plongés dans une solution de polymère et le champ électrique fait voyager la solution vers le sommet des cônes, où elle est émise vers l’électrode sous forme de fibre. Cette approche est cependant erratique et produit des fibres de longueurs inégales ; cela nécessite également des tensions pouvant atteindre 100 000 volts.
Penser petit
Velásquez-García et ses co-auteurs — Philip Ponce de Leon, ancien étudiant à la maîtrise en génie mécanique ; Frances Hill, ancienne postdoctorante du groupe de Velásquez-García qui travaille maintenant à KLA-Tencor ; et Eric Heubel, actuellement postdoctorant, adoptent la deuxième approche, mais à une échelle beaucoup plus petite, en utilisant des techniques courantes dans la fabrication de systèmes microélectromécaniques pour produire des réseaux denses de minuscules émetteurs. La petite taille des émetteurs réduit la tension nécessaire pour les piloter et permet d’en regrouper davantage, augmentant ainsi le taux de production.
Dans le même temps, une texture fine gravée sur les côtés des émetteurs régule la vitesse à laquelle le fluide s'écoule vers leurs extrémités, produisant des fibres uniformes même à des cadences de fabrication élevées. "Nous avons fait toutes sortes d'expériences et toutes montrent que l'émission est uniforme", explique Velásquez-García.
Pour construire leurs émetteurs, Velásquez-García et ses collègues utilisent une technique appelée gravure ionique réactive profonde. Sur chaque face d’une plaquette de silicium, ils gravent des réseaux denses de minuscules colonnes rectangulaires – de plusieurs dizaines de micromètres de diamètre – qui réguleront le flux de fluide sur les côtés des émetteurs. Ensuite, ils ont découpé des motifs en dents de scie dans la plaquette. Les dents de scie sont montées verticalement et leurs bases sont immergées dans une solution d'eau déminéralisée, d'éthanol et d'un polymère dissous.
Lorsqu'une électrode est montée en face des dents de scie et qu'une tension est appliquée entre elles, le mélange eau-éthanol s'écoule vers le haut, entraînant avec lui des chaînes de polymère. L'eau et l'éthanol se dissolvent rapidement, laissant un enchevêtrement de filaments polymères en face de chaque émetteur, sur l'électrode.
Les chercheurs ont pu emballer 225 émetteurs de plusieurs millimètres de long sur une puce carrée d’environ 35 millimètres de côté. À la tension relativement basse de 8 000 volts, cet appareil produisait quatre fois plus de fibres par unité de surface que les meilleurs appareils d'électrofilage commerciaux.
Ce travail est « une manière élégante et créative de démontrer la forte capacité des processus de fabrication traditionnels de MEMS [systèmes microélectromécaniques] à aboutir à une nanofabrication parallèle », explique Reza Ghodssi, professeur de génie électrique à l'Université du Maryland. Par rapport à d’autres approches, ajoute-t-il, il existe « un potentiel accru de mise à l’échelle tout en préservant l’intégrité et laprécisionpar lequel la méthode de traitement est appliquée.
Référence : « Parallel nanomanufacturing via electrohydrodynamic jetting from microfabricated externally-fed editor arrays » par Philip J Ponce de Leon, Frances A Hill, Eric V Heubel et Luis F Velásquez-García, 11 mai 2015,Nanotechnologie.
DOI : 10.1088/0957-4484/26/22/225301
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