Electrostriction géante de nanomatériaux mous pour la récupération d'énergie – ELENA

La demande de nouvelles technologies de conversion d’énergie croit de façon exponentielle avec le développement de microsystèmes sans fils, la robotique, l’électronique mobile, des applications médicales, des réseaux autonomes de capteurs, etc. La récupération d’énergie mécanique de vibrations ambiantes figure parmi les approches les plus prometteuses pour alimenter des MEMS et des réseaux autonomes de capteurs. Les systèmes à capacité variable fait avec des matériaux électrostrictifs, i.e. dont les propriétés diélectriques changent sous déformation, présentent de nombreux avantages par rapport à des technologies concurrentes comme les piézoélectriques ou les dispositifs électromagnétiques. En effet, les matériaux électrostrictifs peuvent facilement être intégrés dans des MEMS et fonctionnent à de basses tensions de polarisation. Les vibrations mécaniques induisent des variations de capacité qui sont converties avec l’électronique adaptée en énergie électrique. Une approche récente et particulièrement excitante dans ce domaine consiste à utiliser des polymères chargés en nanoparticules conductrices. La présence des particules conduit à une augmentation de la constante diélectrique du matériau. De tels nanocomposites sous le seuil de percolation peuvent présenter de larges variations de capacitance en réponse à une déformation. Cependant le potentiel de cette technologie est très loin d’être optimum car les permittivités diélectriques de matériaux et la sensibilité aux contraintes mécaniques (coefficient d’électrostriction) sont encore trop faibles. Les composites électrostrictifs étudiés jusqu’à présent étaient constitués de dispersions aléatoires de particules sans structuration particulière. Nous proposons dans le projet ELENA de littéralement fabriquer par auto-assemblage ou par micro-fabrication des réseaux quasi-percolés de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice élastique d’élastomère (poly dimethyl siloxane). La rigidité, la connectivité et la morphologie des réseaux seront finement contrôlés par les interactions entre nanotubes, leur ségrégation dans des émulsions ou leur micro-fabrication par impression jet d’encre à haute résolution. Il a été montré expérimentalement dans le cadre d’autres applications (composites, dispersion de NTC, etc.) que de tels matériaux peuvent présenter des constantes diélectriques géantes à l’approche de la percolation. De plus, ces réseaux quasi percolés devraient présenter une extrême sensibilité à des contraintes mécaniques par analogie avec un matériau près d’un point critique. Ceci offre donc une opportunité unique pour le développement de nouveaux matériaux électrostrictifs aux performances inégalées. Le défi majeur du projet ELENA consiste à valider cet exceptionnel potentiel. En s’appuyant sur des faits expérimentaux liés aux propriétés diélectriques de composites de NTC, nous visons des améliorations par rapport à l’état de l’art d’au moins un ordre de grandeur sur les constantes diélectriques et coefficients d’électrostriction. Cette avancée significative sera validée par l’intégration des nanocomposites électrostrictifs dans des MEMS organiques ou hybrides qui permettront de larges déformations. Le projet sera pleinement concrétisé par la réalisation de dispositifs et le développement de l’électronique adéquate pour récupérer le plus efficacement possible l’énergie électrique. En considérant les progrès significatifs attendus et le fait que les dispositifs seront produits à bas cout par des technologies transférables à grande échelle, le projet ELENA offrira de nouvelles solutions efficaces pour la récupération d’énergie. Le projet sera mené par un consortium multidisciplinaire associant trois laboratoires académiques avec des compétences en chimie, chimie-physique, physique, MEMS et électronique et un partenaire industriel ayant de fortes activités dans l’électronique organique.