Micro-GEnerateurs d'énergie à base de matériaux polymères biosourcés PIezoelectriques – GENEPI

Le projet GENEPI s’est appuyé sur une approche expérimentale et théorique intégrée visant à relier les procédés de transformation des polymères aux propriétés piézoélectriques obtenues. Les travaux ont combiné développement de procédés, caractérisations multi-échelles et modélisation physique afin de lever les verrous scientifiques associés aux matériaux polymères piézoélectriques biosourcés.

Une première étape a consisté à développer un procédé de fabrication fiable et reproductible de films de PLA orientés reposant sur des techniques industrielles d’extrusion suivies d’étirage uniaxial contrôlé (Machine Direction Orientation – MDO). Cette stratégie permet d’induire une organisation moléculaire spécifique responsable de l’apparition d’une piézoélectricité en cisaillement, sans recours à une étape de polarisation électrique. Les paramètres de transformation (température d’étirage, taux d’orientation, vitesse de déformation et traitements thermiques post-procédé) ont été systématiquement étudiés afin de maîtriser la structuration du matériau. En parallèle, des outils expérimentaux avancés ont été développés pour caractériser avec précision l’orientation moléculaire et les coefficients piézoélectriques du PLA, notamment en mode cisaillement. Ces méthodologies ont permis d’améliorer significativement la fiabilité des mesures et de réduire les incertitudes expérimentales, constituant un préalable essentiel à l’établissement de lois prédictives robustes.

Le projet a également intégré une approche de modélisation visant à décrire la contribution respective des différentes phases structurales du polymère (phase amorphe, mésophase et phases cristallines) aux performances piézoélectriques globales. Ces modèles ont permis d’identifier l’influence directe des conditions de mise en forme sur la réponse électromécanique du matériau et d’orienter les stratégies d’optimisation. Enfin, plusieurs voies exploratoires ont été étudiées afin d’augmenter les performances fonctionnelles du PLA, incluant l’utilisation d’additifs et le contrôle de la cristallisation assistée par traitement thermique ainsi que le développement de structures poreuses et architecturées ouvrant la voie à des comportements pseudo-ferroélectriques.

Cette approche multidisciplinaire a permis de faire converger compréhension fondamentale et faisabilité industrielle, condition essentielle pour le transfert futur vers des applications de capteurs, d’actionneurs et de récupération d’énergie.

Le projet GENEPI a permis de franchir plusieurs verrous scientifiques et technologiques limitant jusqu’à présent l’utilisation de polymères biosourcés dans les applications piézoélectriques, positionnant le poly(l-lactide) (PLA) comme une alternative crédible aux polymères fluorés de référence.

Un premier résultat majeur concerne le développement d’un procédé de fabrication robuste, reproductible et compatible avec des technologies industrielles pour la production de films de PLA orientés présentant des propriétés piézoélectriques élevées. L’utilisation de procédés d’orientation de type extrusion–MDO, opérés à proximité de la transition vitreuse du matériau, a permis d’atteindre un contrôle précis de la déformation et de la structuration moléculaire, démontrant la possibilité de produire à grande échelle des matériaux fonctionnels biosourcés.

Le projet a également conduit à une avancée déterminante dans la compréhension fondamentale de la piézoélectricité du PLA. Grâce au développement d’outils expérimentaux dédiés et de modèles prédictifs multiphasiques, il a été démontré que la réponse piézoélectrique ne repose pas uniquement sur les phases cristallines mais implique de manière significative la phase amorphe orientée. Cette contribution de l’ordre de 20% aux performances finales, jusqu’alors mal comprise, constitue une avancée scientifique majeure permettant d’expliquer et de prédire les performances obtenues en fonction des conditions de mise en forme. Ces travaux ont permis d’atteindre des performances piézoélectriques parmi les meilleures rapportées pour le PLA, avec des propriétés améliorées par rapport à l’état de l’art international (d14 > 13 pC/N vs. 10 pC/N), tout en conservant des avantages déterminants tels que la transparence, la stabilité thermique élevée et l’absence de polarisation électrique nécessaire.

Au-delà des films denses, le projet a ouvert de nouvelles voies de recherche avec le développement de structures poreuses et architecturées à base de PLA présentant des comportements pseudo-ferroélectriques et des coefficients piézoélectriques élevés. Ces résultats introduisent le concept émergent de matériaux « méta-piézoélectriques », dans lesquels la fonctionnalité résulte conjointement de la structure interne et du matériau constitutif.

Enfin, plusieurs démonstrations applicatives ont mis en évidence le potentiel du PLA piézoélectrique pour des applications de récupération d’énergie, de capteurs autonomes et de procédés environnementaux innovants tels que la dépollution par piézocatalyse.

Dans son ensemble, le projet GENEPI établit les bases scientifiques, technologiques et méthodologiques nécessaires à l’émergence d’une nouvelle génération de transducteurs piézoélectriques durables, compatibles avec les exigences de l’électronique flexible et des systèmes énergétiques autonomes.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet GENEPI ouvrent des perspectives scientifiques, technologiques et industrielles majeures pour le développement de matériaux piézoélectriques durables destinés aux systèmes électroniques autonomes de demain.

Sur le plan scientifique, les travaux réalisés ont mis en évidence de nouveaux mécanismes gouvernant la piézoélectricité des polymères biosourcés, ouvrant plusieurs axes de recherche à fort potentiel. Parmi ceux-ci figurent l’étude du rôle des phases amorphes primitives dans la structuration cristalline, l’analyse des relaxations diélectriques et viscoélastiques dans les polymères orientés, ainsi que le développement de nouvelles stratégies de structuration multi-échelle combinant procédés de transformation, additifs fonctionnels et architectures avancées. Ces recherches visent à dépasser les limites actuelles des polymères piézoélectriques et à concevoir des matériaux ferroélectriques organiques performants sans recours à des composés fluorés ou métalliques critiques.

Au-delà des perspectives académiques, les avancées permettent désormais d’envisager des démonstrateurs industriels de films et transducteurs piézoélectriques à base de PLA fabriqués par des procédés compatibles avec les lignes de production existantes en plasturgie. Cette continuité entre compréhension fondamentale et industrialisation constitue un levier important pour le transfert technologique vers des applications (récupération d’énergie vibratoire, capteurs autonomes, électronique flexible, biomédical, procédés environnementaux de dépollution assistée par piézocatalyse). Le projet GENEPI fait émerger l’opportunité d’une filière de transducteurs piézoélectriques biosourcés et à faible empreinte carbone, reposant sur des matériaux recyclables issus de ressources renouvelables et transformables par des procédés sobres en énergie. Ces avancées ouvrent la voie à la création potentielle d’une start-up dédiée au développement de dispositifs piézoélectriques « zéro-carbone », capables de répondre aux besoins croissants en capteurs et récupérateurs d’énergie pour l’Internet des objets, la mobilité intelligente et les infrastructures durables.

Les collaborations initiées durant le projet ont déjà conduit au montage de nouveaux projets nationaux et européens portant sur les polymères électroactifs durables, les transducteurs flexibles et les systèmes de récupération d’énergie hybrides. GENEPI contribue ainsi à structurer une communauté de recherche à l’interface entre science des polymères, électronique flexible et transition énergétique, positionnant durablement l’IMT Nord Europe comme un acteur reconnu dans le domaine émergent des matériaux électroactifs durables. À terme, ces travaux pourraient participer à l’émergence d’une nouvelle génération de technologies électroniques respectueuses de l’environnement, conciliant performances fonctionnelles, sobriété matérielle et souveraineté industrielle.

Les matériaux piézoélectriques représentent des éléments stratégiques pour développer des capteurs et des récupérateurs d'énergie pour de multiples applications, notamment en lien avec l'émergence des dispositifs IoT auto-alimentés. Cependant, de nouveaux concepts sont nécessaires pour résoudre les problèmes économiques et environnementaux associés aux céramiques piézoélectriques à base de plomb sans compromettre les performances finales. Dans ce cadre, le projet GENEPI s’intéresse à la piézoélectricité spontanée en cisaillement du poly(L-lactide) (PLA), un polymère biosourcé alternatif possédant de nombreux bénéfices. Un procédé industriel de type extrusion-orientation sans solvant est notamment en cours de développement à l'IMT Lille Douai pour fabriquer aisément des capteurs / récupérateurs d'énergie à base de PLA mais plusieurs défis scientifiques doivent être surmontés pour obtenir une expertise solide sur ces technologies et permettre des développements plus rapides. Dans ce contexte, le premier objectif scientifique du projet GENEPI est d'améliorer les connaissances scientifiques sur les propriétés piézoélectriques en cisaillement du PLA, en particulier sur les relations procédé - structures - propriétés et l'utilisation de copolymères à blocs (meth)acryliques en tant qu'additifs pour développer des films piézoélectriques haute-performances à l'échelle laboratoire. Le deuxième objectif scientifique du projet GENEPI est de convertir le comportement piézoélectrique spécifique du PLA en comportement ferroélectrique conventionnel afin d'augmenter les propriétés piézoélectriques du PLA au-delà de la limite théorique avec des réponses électromécaniques dans des modes mécaniques conventionnels pour des opérations de détection / actuation / récupération d'énergie. Cette tâche complexe explorera plusieurs concepts (ferroélectricité à haute température du PLA, pseudo-ferroélectricité des mélanges nanostructurés à base de PLA et cristallisation assistée par champ électrique du PLA) pour révéler des stratégies de recherche à long terme.