Polymère électroactif

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Figure 1 : The black strips are the working electroactif polymers. They are powered with the same squared voltage.
Figure 2: illustration d'une pince en EAP. (a) Une tension est appliquée, les deux doigts en EAP se déforment de sorte à contourner la balle. (b) Lorsque la tension électrique est coupée, les doigts en EAP reprennent leur forme d'origine et attrapent la balle. (c).

Les polymères électroactifs, ou EAPS (Electroactive polymers) sont des polymères dont la forme ou la taille changent lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. L'utilisation principale de ce type de matériau est la fabrication d'actionneurs et de capteurs. Une propriété intéressante des EAPs est qu'ils sont capables de grandes déformations, ainsi que de forces importantes. La plus grande partie des actionneurs actuels est fabriquée à partir de céramiques piézo-électriques. Ces matériaux sont certes capables de produire des forces très élevées, cependant leur domaine de déformation n'excède pas quelque pourcents. Durant les années 1990, il a été démontré que certains EAPs sont capables d'une déformation de 380 %[1], ce qui est très grandement supérieur à n'importe quelle céramique utilisée actuellement. Une autre application des EAPs est dans le développement de la robotique, dans le développement de muscles artificiels. Le fonctionnement d'une pince en EAP est décrit dans la figure 1.

Historique des EAPs[modifier | modifier le code]

L'étude des EAPs a commencé dans les années 1880, lorsque Wilhelm Roentgen créa une expérience dans laquelle il testa l'effet d'un courant électrique sur les propriétés mécaniques d'un élastique[2]. L'élastique était fixé à une extrémité, et il accrocha une masse sur l'autre extrémité. Un champ électrique fut appliqué sur l'élastique pour étudier la variation de sa longueur en fonction du courant électrique appliqué. Sacerdote approfondit l'expérience de Roentgen en proposant une théorie sur la réponse de la contrainte de l'élastique en fonction du champ électrique appliqué, théorie formulée en 1899[2]. Ce n'est qu'à partir des années 1925 que le premier polymère piézoélectrique fut découvert (Electret). L'électret fut formé en combinant de la cire de carnauba, de la colophane, de la cire d'abeille, et en refroidissant le mélange pendant qu'une tension électrique continue lui était appliqué afin de le polariser. Le matériau se solidifia en un polymère présentant des propriétés piezoélectriques.

Les polymères dont les propriétés varient selon d'autres excitations qu'un champ électrique font partie de ce domaine d'étude. En 1949, Katchalsky et. al. démontrèrent que des filaments de collagène plongés dans un acide ou dans une solution alcaline présentent un changement significatif de volume[2]. Les filaments de collagène se contractent en solution alcaline et se détendent en solution acide. D'autres stimuli (comme la variation de pH) ont été testés, cependant la recherche s'est plus portée sur les polymères électro actifs car ceux-ci sont les meilleurs prétendants à l'imitation de systèmes biologiques complexes.

Ce n'est qu'à partir des années 1960 que des progrès significatifs sont effectués. En 1969, Kawai fut capable de démontrer que le polyfluorure de vinylidène (PVDF) présente un effet piézoélectrique très important[2]. Cette brillante découverte a permis la recherche de polymères ayant des propriétés similaires à celles du PVDF. En 1977, les premiers polymères conducteurs sont découverts par Hideki Shirakawa et.al [3]. Shirakawa, en collaboration avec Alan MacDiarmid et Alan Heeger démontra que le polyacetylene était conducteur, et qu'en le dopant avec de la vapeur d'iode, il est possible d'augmenter sa conductivité de 8 ordres de grandeur. Sa conductivité fut comparable à celle d'un métal. À partir des années 1980, un grand nombre de polymères ayant des propriétés conductrices ou piézoélectriques sont découverts.

Au début des années 1990, les polymères composite métal-ion (IPMC) sont développés et présentent des propriétés électro-actives bien supérieures à celle des premiers EAPs. L'avantage principal des IPMCs est qu'ils présentent des déformations suite à des excitations électriques inférieures à 1 ou 2 volts[2].

Types de polymères électroactifs[modifier | modifier le code]

Polymères électroactifs diélectrique[modifier | modifier le code]

Les diélectriques sont des matériaux dont leurs déplacement est causé par des forces électrostatiques localisées entre deux électrodes. Les élastomères diélectrique sont capable de très grandes déformations et sont dans le principe un condensateur à capacité variable. Cette capacité change lorsqu'ils sont soumis à une tension. Ces types de polymères électro-actif requièrent un grand champs électrique pour se déformer (de l'ordre de la centaine de volts), mais ne consomment pas beaucoup de puissance électrique. Les diélectriques ne requièrent pas de puissance pour se maintenir à une position donnée.

Polymères ferroélectrique[modifier | modifier le code]

Les polymères ferroélectrique appartiennent au groupe des polymères cristallins polaire. Ils sont capable de maintenir une polarisation électrique permanente qui peut être inversé ou alternée dans un champs électrique externe[3],[4].Les polymères férroélectrique, tels que le polyvinylidene fluoride(PVDF), sont utilisés dans les transducteurs acoustiques et en tant qu'actionneur electromécanique à cause de leur réponse piézoélectrique intrinsèque. Ils sont aussi utilisés en tant que capteur de chaleur à cause de leur réponse pyroélectrique intrinsèque.

Polymères crystallin liquide[modifier | modifier le code]

Les chaînes principales des polymères cristallins liquide ont des groupes Mésogènes liés les un aux autres à l'aide de lien flexible. Les mésogènes au sein de la colonne principale forment la structure mésophase causant le polymère à adopter une conformation compatible à celle de la structure de la mésophase.

Polymères électroactifs ionique[modifier | modifier le code]

Les polymères ioniques sont des actionneurs polymère dans lesquels la déformation est causée par le déplacement d'ions vers l'intérieur du polymère. Seulement quelques volts sont nécessaires à l’actionnement, mais le flux d'ions nécessite une puissance électrique plus importante, de plus une énergie électrique est requise pour maintenir ces actionneurs en position.

Composites ionique métal-polymères IPMC[modifier | modifier le code]

Les composites métal-polymères sont des actionneurs composés d'un polymère ionique tel que le Nafion ou le Flemion, et dont la surface a été métalisée, d'un conducteur métallique, tel que l'or ou le Platine. Sous une tension électrique (1-5V pour des échantillons 10mmx40mmx0.2mm), les ions migrent et sont redistribués, causant un mouvement de flexion. Si les électrodes métallisées sont arrangées dans une configuration asymétrique, tout type de mouvement peut alors être atteint, flexion, torsion etc.

Réseaux interpénetrés de polymères conducteurs IPNC[modifier | modifier le code]

Les réseaux interpénétrés de polymère sont constitués d'un film support électrolyte pris en sandwich entre deux couches de polymères conducteurs électroniques. Lors de l'actionnement, les ions se déplacent d'une électrode à l'autre via le film support d'électrolyte.

Différences entre polymères ionique et diélectrique[modifier | modifier le code]

Les polymères diélectriques sont capables de maintenir leur déplacement induit lorsqu'ils sont soumis à une tension continue[5]. Ce phénomène permet d'envisager l'utilisation de tels polymères dans des applications robotiques. Ces matériaux ont aussi une haute densité énergétique et peuvent opérer dans l'air sans dégradation importante de leurs performances. Entre autres, les polymères diélectriques requièrent un champ électrique très important à leur activation (supérieur à 10V pour un micromètre déplacé).

Les polymères ioniques quant à eux nécessitent un champ électrique d'activation très moindre, de l'ordre du volt. Cependant ces polymères doivent baigner dans un milieu liquide pour fonction. Récemment un nouveaux type de polymère ionique a été développé, capable de fonctionner sous atmosphère ambiante[6]. Les polymères ioniques ont aussi un couplage électro-mécanique très faible, ce qui les rend idéals pour des applications de bio-mimétique.

Applications liées aux polymères électroactifs[modifier | modifier le code]

Micro-fluidique[modifier | modifier le code]

Les polymères électro-actif ont un énorme potentiel dans le domaine de la microfluidique. Tels que dans des applications d'administration de traitement ou de laboratoire sur puce ou pour la réalisation de micro pompe[7]

Lab-on-a-chip made of glass

Dispositifs haptiques[modifier | modifier le code]

"Les polymères électro-actif pour afficheur braille ré-actualisable"[8] ont émergés récemment. Ills permettent d'aider les non voyant à la lecture rapide mais peuvent aussi servir d'interface pour un ordinateur.

Figure 6: High resolution tactile display consisting of 4,320 (60x72) actuator pixels based on stimuli-responsive hydrogels. The integration density of the device is 297 components per cm². This display gives visual (monochromic) and physical (contours, relief, textures, softness) impressions of a virtual surface.

Optique[modifier | modifier le code]

Les polymères diélectriques, notamment les piézoélectriques sont très largement utilisés dans le domaine de l'optique, notamment dans les dispositifs permettant d'ajuster les distances focales de lentilles optiques.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « Bar-Cohen, Yoseph "Artificial Muscles using Electroactive Polymers (EAP): Capabilities, Challenges and Potential », sur trs-new.jpl.nasa.gov
  2. a et b (en) « Electrochemistry Encyclopedia: Electroactive Polymers (EAP) », sur electrochem.cwru.edu
  3. T. Furukawa, « Ferroelectric Properties of Vinylidene Fluoride Copolymers », Phase Transitions,‎ 1989
  4. « Ferroelectric Polymers », INC,‎ 1995 (ISBN 0824794680)
  5. Y. Bar-Cohen, Kwang J Kim, Hyouk Ryeol et John D W Madden, « Electroactive Polymer Materials », Smart Materials and Structures,‎ avril 2007
  6. Y.Bar-Cohen, T.Xue, J.O Simpson et J.Smith, « Ionic Polymer-Metal Composites 5IPMC) As BIomimetic Sensors and Actutators », SPIE,‎ Retrievec 6 April 2010
  7. A. Richter, S Klatt, G Paschew et C Klenke, « Micropumps operated by swelling and shrinking of temperature-sensitive hydrogels », Lab Chip,‎ 2009 (DOI 10.1039/B810256B)
  8. Yoseph Bar-Cohen, « Electroactive polymers for refreshable Braille displays », SPIE,‎ 11 septembre 2009

Liens externes[modifier | modifier le code]