Représentation de l’application de nanotubes semi-conducteurs organiques dans le muscle artificiel. Crédit : Illustrations reproduites avec l’aimable autorisation de Mohammad Reza Abidian
Actuator Discovery surpasse la technologie existante
Des chercheurs de l’Université de Houston signalent une percée dans le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux avec le développement d’un actionneur électrochimique qui utilise des nanotubes semi-conducteurs organiques (OSNT) spécialisés.
Actuellement dans les premiers stades de développement, l’actionneur deviendra un élément clé de la recherche contribuant à l’avenir de la science robotique, bioélectronique et biomédicale.
“Les dispositifs électrochimiques qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique ont une utilisation potentielle dans de nombreuses applications, allant de la robotique douce et des micropompes aux microlentilles autofocus et à la bioélectronique”, a déclaré Mohammad Reza Abidian, professeur agrégé de génie biomédical au EUH Collège d’ingénierie Cullen. Il est l’auteur correspondant de l’article “Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices”, publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés, qui détaille la découverte.
Mohammad Reza Abidian, professeur agrégé de génie biomédical à l’Université de Houston Cullen College of Engineering, a annoncé une percée avec le développement d’un actionneur électrochimique. Crédit : Université de Houston
Un mouvement important (que les scientifiques définissent comme un actionnement et mesurent comme une contrainte de déformation) et un temps de réponse rapide ont été des objectifs insaisissables, en particulier pour les dispositifs d’actionneur électrochimique qui fonctionnent dans un liquide. En effet, la force de traînée d’un liquide restreint le mouvement d’un actionneur et limite le transport et l’accumulation d’ions dans les matériaux et les structures des électrodes. Dans le laboratoire d’Abidian, lui et son équipe ont affiné les méthodes de travail pour contourner ces deux pierres d’achoppement.
« Notre dispositif électrochimique à nanotubes semi-conducteurs organiques présente des performances d’actionnement élevées avec un transport et une accumulation rapides d’ions et une dynamique ajustable dans les électrolytes liquides et gel-polymère. Cet appareil démontre d’excellentes performances, notamment une faible consommation d’énergie/une faible contrainte, une grande déformation, une réponse rapide et une excellente stabilité d’actionnement », a déclaré Abidian.
Cette performance exceptionnelle, a-t-il expliqué, découle de l’énorme surface efficace de la structure nanotubulaire. La plus grande surface facilite le transport et l’accumulation des ions, ce qui entraîne une électroactivité et une durabilité élevées.
“Les faibles valeurs de consommation d’énergie/de contrainte pour cet actionneur OSNT, même lorsqu’il fonctionne dans un électrolyte liquide, marque une profonde amélioration par rapport aux actionneurs électrochimiques précédemment rapportés fonctionnant dans un liquide et dans l’air”, a déclaré Abidian. « Nous avons évalué la stabilité à long terme. Cet actionneur à nanotubes semi-conducteurs organiques a présenté une stabilité à long terme supérieure par rapport aux actionneurs à base de polymère conjugué précédemment rapportés fonctionnant dans un électrolyte liquide.
Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan et Sheereen Majd, tous du département de génie biomédical du EUH Collège d’ingénierie Cullen.
Les semi-conducteurs organiques utilisés, appelés polymères conjugués, ont été découverts dans les années 1970 par trois scientifiques – Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid et Hideki Shirakawa – qui ont remporté un prix Nobel en 2000 pour la découverte et le développement de polymères conjugués.
Pour qu’un nouveau type d’actionneur surpasse le statu quo, le produit final doit non seulement prouver qu’il est très efficace (dans ce cas, à la fois en électrolyte polymère liquide et en gel), mais aussi qu’il peut durer.
« Pour démontrer les applications potentielles, nous avons conçu et développé une sonde neuronale mobile à l’échelle du micron basée sur des microactionneurs OSNT. Cette microsonde peut potentiellement être implantée dans le cerveau, où les enregistrements de signaux neuronaux qui sont affectés négativement, soit par des tissus endommagés, soit par le déplacement de neurones, peuvent être améliorés en ajustant la position des microcantilevers mobiles », a déclaré Abidian.
La prochaine étape est l’expérimentation animale, qui sera entreprise prochainement à Université Columbia. Les premiers résultats sont attendus d’ici la fin de 2021, et des tests à plus long terme suivront.
“Compte tenu des réalisations à ce jour, nous prévoyons que ces nouveaux dispositifs électrochimiques basés sur OSNT contribueront à faire progresser la prochaine génération de robotique souple, de muscles artificiels, de bioélectronique et de dispositifs biomédicaux”, a déclaré Abidian.
Référence : « Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices » par Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan, Sheereen Majd et Mohammad Reza Abidian, 30 juillet 2021, Matériaux fonctionnels avancés.
DOI : 10.1002 / adfm.202105358
