A la conquête du muscle artificiel

Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (le fameux MIT) a réussi à mettre au point un film polymère tout à fait innovant, puisque capable de générer de l’énergie à partir de vapeur d’eau. Ce film polymère change de forme après absorption de petites quantités d’eau sous forme de vapeur, donnant l’impression de se retrousser et se courbant en tous sens de manière continue, mais aléatoire.

L’enjeu est important : la maitrise de ce mouvement continu pourrait permettre d’animer dans un premier temps un bras ou une jambe robotique, tel un muscle artificiel jouant le même rôle qu’un muscle pour un de nos bras ou une de nos jambes. Les chercheurs du MIT semblent pour le moment assez loin de ce stade, et se penchent plutôt sur l’utilisation de ce nouveau matériau pour alimenter des appareils micro ou nanoélectriques, tels que la plupart de nos capteurs environnementaux.

 « Lorsqu’un capteur est alimenté par une batterie, cette dernière se doit d’être remplacée régulièrement. A l’aide de ce dispositif, vous pouvez capter de l’énergie à partir de son environnement et vous n’aurez donc plus à remplacer si souvent la batterie », explique Mingming Ma, chercheur postdoctoral à l’Institut David H. Koch pour la Recherche Intégrative contre le Cancer, institut affilié au MIT. « Nous sommes très excités par ce nouveau matériau, et nous espérons parvenir à un rendement plus élevé lors de la conversion de l’énergie mécanique en électricité, ce qui lui ouvrirait un champ d’application plus large », ajoute Robert Langer, professeur à l’institut David H. Koch et co-auteur avec Mingming Ma de l’article publié dans la revue Science de cette semaine. Parmi ces applications potentielles, on trouve aussi bien d’imposants générateurs dont l’alimentation est assurée par de la vapeur d’eau, comme de plus petits générateurs servant à l’alimentation d’appareils nanoélectriques portables, intégrés à nos vêtements.

Emboitement de deux polymères différents

Le film conçu par l’équipe de chercheurs du MIT est le résultat de l’emboitement de deux polymères tout à fait différents : le polypyrolle et le polyol-borate. Le premier est un polymère organique constitué de plusieurs noyaux de pyrolle – connu aussi sous le nom d’azole, de formule brute C₄H₅N  – connectés les uns aux autres. Le second est un polyol de borate, un composé chimique organique contenant un certain nombre de groupes hydroxyles, en liaison avec un borate – un composé de bore et d’oxygène avec des éléments électropositifs.

Le polypyrolle sert ici de matrice solide mais souple, apportant un support structurel au nouveau matériau, alors que le polyol-borate est un gel qui reste flexible et qui enfle lorsqu’il absorbe de l’eau. L’équipe dirigée par Mingming Ma avait rencontré au préalable plusieurs échecs lors de précédentes tentatives, lorsque le matériau ne combinait pas encore les deux éléments mais n’était constitué que de polypyrrole, dont la réaction au contact de l’eau était trop faible pour être considérée comme suffisamment convaincante.

Générer de l’électricité

Le film de polypyrolle et de polyol-borate se sert du gradient d’eau entre un milieu sec et un milieu contenant de l’humidité pour trouver son énergie. Lorsque la pellicule de vingt micromètres d’épaisseur repose sur une surface contenant ne serait-ce qu’une toute petite quantité d’eau, cette eau est absorbée, créant un mouvement qui pousse le film à se recourber vers le haut et à s’éloigner de la surface. La partie inférieure du film est alors exposée à l’air ambiant et laisse s’échapper l’eau, laissant le film polymère reprendre sa forme initiale. Le mouvement peut alors reprendre, le film absorbant et laissant s’échapper l’eau de manière cyclique. Le mouvement continu ainsi observé convertit l’énergie chimique du gradient de l’eau en énergie mécanique.

Pour convertir cette énergie mécanique en électricité, il suffit de coupler la pellicule de polymère avec un matériau piézoélectrique, qui se polarise électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique. Selon les estimations du MIT, le système peut générer en moyenne 5.6 nanowatts, suffisants pour alimenter de petits appareils peu gourmands.

La force déployée par le film polymère est pour le moins surprenante : le film parvient à soulever pour dix fois son poids en fils d’argent, comme vous pouvez le constater ici :

Par Moonzur Rahman

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