Matériaux du futur : graphène et lignine

L'utilisation du bois dans la construction a refait surface en raison des préoccupations croissantes concernant l'impact environnemental du béton. Cependant, le bois absorbe l'humidité de son environnement, ce qui entraîne la pourriture, la moisissure et d'autres types de dommages. Rien qu'en Suède, le coût de réparation des dégâts des eaux dans les bâtiments dépasse 500 000 000 d'euros par an. Pour résoudre ce problème, les chercheurs des instituts de recherche membres associés phares du graphène de Suède (RISE) ont développé un capteur de graphène intégré dans le bois qui peut détecter à la fois l'humidité ambiante et l'humidité à l'intérieur du bois.

RISE coordonne le Digital Cellulose Center (DCC), qui vise à faire entrer les matériaux et produits issus de la forêt dans le monde numérique, via l'électronique durable et l'économie circulaire. "Le capteur d'humidité et d'humidité au graphène a vraiment démontré une voie durable pour l'électronique et a suscité un vif intérêt de la part des partenaires académiques et industriels de DCC", a déclaré la directrice du centre DCC, Ursula Hass, qui est basée à RISE.

Dans cette méthode de "Lignographie", l'équipe a modelé des capteurs à l'aide d'une encre imprimable composée de lignine - un polymère organique complexe présent dans les parois cellulaires de nombreuses plantes et un sous-produit de l'industrie du papier et de la pâte - et de la cellulose, qui ont été converties en graphite ou graphène lors d'une irradiation avec un faisceau laser.

Suite au processus de graphitisation, ces capteurs ont pu mesurer des niveaux d'humidité dans une plage de 10% à 90% à 25°C dans différents types de bois. Les capteurs fabriqués sur du bois d'épicéa et de pin présentaient une sensibilité élevée, avec des valeurs de 2,6 et 0,74 MΩ pour chaque augmentation de 1 % de l'humidité, respectivement. Enfin, les chercheurs ont montré que les changements d'humidité collectés par ces capteurs peuvent être lus à distance grâce à un ordinateur connecté ou visualisés avec un simple système de LED.

Capteur d'humidité fabriqué en bois d'épicéa disponible dans le commerce. a) Le bois a d'abord été enduit d'une encre à base d'eau contenant de la lignine et des polymères cellulosiques en forme d'épicéa. Un laser CO2 a ensuite été utilisé pour produire deux électrodes de carbone à partir du revêtement d'encre, tout en laissant de l'encre intacte entre les électrodes pour fonctionner comme une couche d'adsorption pour la détection d'humidité. b) Deux capteurs fabriqués sur une surface en bois, l'un scellé de la face avant, tandis que l'autre était maintenu ouvert à l'environnement ambiant. (Crédit : MONTÉE)

Les chercheurs de RISE ont également démontré des composants électroniques graphitisés à la lignine, tels que des résistances et des récupérateurs d'énergie triboélectriques, impliquant des processus de "lignographie" similaires.

"La recherche de notre groupe ouvre la voie au développement de capteurs à base de bio-graphène, de récupérateurs d'énergie et d'appareils et circuits électroniques basés sur des matériaux durables et recyclables, tels que le bois et le papier. En utilisant ces matériaux qui peuvent être jetés dans le papier poubelles, nous espérons éliminer le besoin de poubelles électroniques », explique Mohammad Yusuf Mulla de RISE.

Au-delà des capteurs d'humidité sur le bois, les chercheurs de RISE, en collaboration avec Lignin Industries AB et Bloom Renewables SA, travaillent également sur de nouveaux types de matériaux à base de lignine capables de détecter la pression et les apports mécaniques. Par exemple, ces "matériaux intelligents" peuvent être utilisés pour actionner des interrupteurs marche/arrêt et des commandes de volume en se penchant ou en tapotant au lieu d'appuyer sur des boutons.

L'équipe prépare les matériaux intelligents à base de lignine en modifiant chimiquement la lignine en formulations thermodurcissables ou thermoplastiques. Des additifs fonctionnels tels que le BaTiO3 et l'oxyde de graphène réduit sont ajoutés à ces composites. Lorsqu'une force externe est appliquée à un cristal de BaTiO3, la structure cristalline est déformée, provoquant la séparation de ses charges positives et négatives et entraînant la génération d'un champ électrique. Dans le même temps, le graphène - un excellent conducteur d'électricité - augmente la conductivité des composites à base de lignine permettant un transfert efficace des charges électriques. Par rapport aux matériaux piézoélectriques commerciaux à base de plomb, les matériaux à base de lignine sont des additifs plus sûrs et plus durables pour les capteurs tactiles et de pression.

"Grâce à de nouveaux matériaux comme le graphène, nous envisageons une future génération de matériaux qui pourraient être extraits du bois au lieu du pétrole et faire des choses intéressantes d'un simple toucher du doigt", explique Abhilash Sugunan de RISE.

Les références

Mulla, Mohammad Yusuf, et al. "Capteurs bio-graphène pour surveiller les niveaux d'humidité dans le bois et l'environnement ambiant." Défis mondiaux (2023) : 2200235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202200235

Edberg, Jesper et al. "Un récupérateur d'énergie triboélectrique basé sur la forêt." Défis mondiaux 6.10 (2022) : 2200058. https://doi.org/10.1002/gch2.202200058

Edberg, Jesper et al. "Graphitisation induite par laser d'une encre à base de forêt pour une utilisation dans l'électronique flexible et imprimée." npj Électronique flexible 4.1 (2020) : 17. https://www.nature.com/articles/s41528-020-0080-2

Centre de cellulose numérique (DCC), https://digitalcellulosecenter.se/

Rédactrice scientifique et coordinatrice de l'initiative 'Diversity in Graphene'.

Rédactrice scientifique et coordinatrice de l'initiative 'Diversity in Graphene'.