Polymère électroactif

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Figure 1: 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 approfondissa l'expérience de Roentgen en proposant une théorie sur la réponse de la contrainte de l'élastique en fonction du champ électrique appliqué, théorié 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 fillaments de colagène se contractent en solution alcaline et se détende 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 60 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 80, un grand nombre de polymères ayant des propriétés conductrices ou piézoélectriques sont découverts.

Au début des années 90, 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].

Notes et références[modifier | modifier le code]

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