Électronique en bois durable par le fer

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3680 (2022) Citer cet article

10 000 accès

19 citations

53 Altmétrique

Détails des métriques

L’électronique en bois respectueuse de l’environnement contribuera à atténuer les défauts de l’« électronique verte » de pointe à base de cellulose. Nous introduisons ici la graphitisation induite par laser catalysée par le fer (IC-LIG) comme approche innovante pour graver des structures électriquement conductrices à grande échelle sur du bois avec une qualité et une efficacité très élevées, surmontant les limites du LIG conventionnel, notamment l'ablation élevée, les dommages thermiques, le besoin pour plusieurs étapes de laser, utilisation de produits ignifuges et d'atmosphères inertes. Un revêtement aqueux d'origine biologique, inspiré de l'encre ferro-gallique historique, protège le bois de l'ablation laser et des dommages thermiques tout en favorisant une graphitisation efficace et en lissant les irrégularités du substrat. Des surfaces homogènes à grande échelle (100 cm2), hautement conductrices (≥2500 S m−1) et homogènes sont gravées en une seule étape dans une atmosphère ambiante avec un laser CO2 conventionnel, même sur des placages de bois très fins (∼450 µm). Nous démontrons la validité de notre approche en transformant le bois en capteurs de contrainte très durables, en électrodes flexibles, en écrans tactiles capacitifs et en un dispositif électroluminescent basé sur LIG.

Développer des appareils électroniques à partir de matériaux renouvelables et biodégradables en utilisant des voies de fabrication respectueuses de l’environnement (« électronique verte ») est obligatoire pour répondre aux exigences d’une société durable1. La mise en œuvre prévue de l’approche Internet des objets (IoT) dans les bâtiments intelligents et même dans les villes pose des défis non résolus en termes d’échelle et de durabilité des matériaux électroniques durables2,3. L’électronique verte de pointe est aujourd’hui dominée par des appareils jetables relativement petits fabriqués à partir de matériaux à base de (nano-)cellulose4,5,6. Cependant, leur durabilité peut être remise en question par les nombreuses étapes exigeantes, en termes de quantité d'énergie et de produits chimiques, nécessaires à l'isolation et au réassemblage de la cellulose en matériaux fonctionnels. Utiliser le bois comme substrat pour les appareils électroniques peut aider à résoudre ce problème à la racine. Les matériaux en bois sont également particulièrement utiles pour les applications nécessitant non seulement une résistance mécanique et une évolutivité élevées, telles que la surveillance de l'état des structures (par exemple, des capteurs de contrainte intégrés dans les structures porteuses), mais également des éléments esthétiques et haptiques précieux (tels que les écrans tactiles et les affichages lumineux). comme les interfaces homme-machine dans les bâtiments intelligents).

Le bois est une ressource naturelle renouvelable et biodégradable stockant du CO2, un excellent matériau de construction de pointe, à l'esthétique et au toucher très appréciés, léger mais à haute résistance mécanique. Le développement de l’électronique du bois a jusqu’à présent été limité par la structure complexe du bois et le manque de conductivité électrique intrinsèque. Les tentatives précédentes visant à obtenir des matériaux en bois électriquement conducteurs comprenaient le revêtement de surface avec des nanofils métalliques7 et des encres à base de carbone8, ainsi que l'imprégnation en masse, par exemple avec des métaux à faible point de fusion9. Dans ces approches, indépendamment de leur durabilité limitée, le bois a été utilisé comme substrat passif. Comme pour d’autres substrats biologiques, la graphitisation du bois dans des conditions appropriées peut donner lieu à des matériaux de type graphène et graphite dotés de propriétés électriques raisonnables (> 500 S m−1 et <1 kΩ ◻−1)10,11,12,13. Cependant, cela se produit généralement au détriment de l’intégrité structurelle et mécanique. Trouver un moyen de confiner la graphitisation de manière sélective à la surface du bois, jusqu'à quelques microns tout en laissant la majeure partie intacte, ouvrirait de nouvelles voies pour l'électronique du bois.

La graphitisation induite par laser (LIG) a été utilisée pour convertir une variété de précurseurs inorganiques14,15 et organiques en matériaux électriquement conducteurs16,17,18. Ce processus de graphitisation peut être mieux décrit comme une conversion photothermique et photochimique combinée d'un précurseur qui conduit à un matériau carboné poreux. LIG est une technique rentable caractérisée par des vitesses de traitement élevées et une flexibilité, permettant de combiner la gravure laser de motifs graphitisés à morphologie contrôlée19 ainsi que la découpe laser. Les premières tentatives de graphitisation induite par laser de matériaux biologiques16,20 ont conduit à des produits dotés de propriétés électriques et structurelles raisonnables, mais pas entièrement suffisantes, pour la plupart des applications envisagées, telles que les capteurs et les actionneurs à grande échelle.