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Électronique verte en bois

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19 sept. 2022 (Actualités Nanowerk) Les déchets électroniques non biodégradables continuent de s'accumuler année après année. Pour cette raison, fabriquer des composants électroniques au moins en partie à partir d’une matière première naturelle comme le bois semble une solution évidente. Mais c'est plus facile à dire qu'à faire. D’une part, le bois est naturellement un isolant électrique. Il présente également une structure complexe, ce qui rend difficile l'obtention de propriétés électriques homogènes lors d'une fabrication à grande échelle. Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Empa et de l'Institut des matériaux de construction de l'ETH a développé une méthode pratique et polyvalente pour rendre les surfaces en bois électriquement conductrices en les graphitant (Communications Nature, « Électronique du bois durable par graphitisation induite par laser catalysée par le fer pour des applications à grande échelle »). De cette manière, des appareils tels que des écrans tactiles et des capteurs peuvent être produits à grande échelle avec une grande efficacité. L'astuce consiste à prétraiter le bois avec une encre contenant du fer. Le projet était dirigé par Ingo Burgert et Guido Panzarasa. Électronique verte : fabriquer des composants électroniques au moins en partie à partir d’une matière première naturelle comme le bois semble une solution évidente. (Image : SNF)

Encre du Moyen Âge

Pour réaliser des structures conductrices sur le bois, la nouvelle méthode améliore un processus existant appelé graphitisation induite par laser. Un laser peut graver des lignes fines sur des planches de bois ou des placages. Dans ce processus, l’énergie du faisceau laser chauffe le bois, provoquant une série d’événements pyrolytiques conduisant à la formation de graphite électriquement conducteur. Cependant, les motifs conducteurs obtenus sont irréguliers en profondeur et en largeur, et il existe également un risque d'incendie dû à une surchauffe. Souvent, plusieurs étapes laser de post-traitement sont également nécessaires. "La densité du bois varie en fonction de l'espèce d'arbre et de sa croissance", explique Christopher Dreimol, premier auteur de l'étude. "Le résultat peut être une graphitisation très inégale." L’équipe de recherche a ainsi eu l’idée d’utiliser le fer comme catalyseur pour permettre un processus plus doux et une surface beaucoup plus homogène. À la recherche d'un matériau catalyseur d'origine biologique, Dreimol s'est inspiré de l'encre ferro-gallique, un mélange de sel de fer et de tanins utilisé dès le Moyen Âge pour l'écriture. Après avoir optimisé la recette, Dreimol a enduit divers placages de bois d'une fine couche d'encre, puis les a soumis au traitement au laser. La couche d'encre a eu l'effet souhaité. Les motifs gravés après un seul passage ont montré une structure et une conductivité plus uniformes, quelles que soient les différences de structure et de type de bois. «Grâce à l'encre, le bois se transforme si rapidement en graphite qu'il y a moins de dommages thermiques et aucun risque d'incendie», explique Dreimol. De plus, beaucoup moins de bois est enlevé. Les motifs n'ont que quelques micromètres de profondeur et peuvent ainsi être gravés dans le placage le plus fin sans l'endommager.

Bois luminescent pour présentoirs

L'équipe a ensuite utilisé sa nouvelle méthode pour produire des composants électroniques d'essai à partir de placages d'épicéa, de cerisier et de hêtre de moins d'un demi-millimètre d'épaisseur. Selon Dreimol, des capteurs de contrainte pliables pourraient être intégrés discrètement dans les composants porteurs en bois des bâtiments, permettant ainsi une surveillance constante de leur santé structurelle. Les chercheurs ont également pu faire briller le bois très fin grâce à une couche électroluminescente. Malgré le grain du placage, un éclairage homogène a été obtenu. Il s'agit d'un résultat sans précédent qui pourrait être utilisé dans des applications telles que le rétroéclairage d'écrans ou de publicités et de panneaux de contrôle. Pour le bois électroluminescent, les chercheurs ont toutefois utilisé des câbles et des composants électroniques encore classiques. À l’avenir, ceux-ci pourraient également être partiellement remplacés par du bois conducteur. La prochaine étape consistera à affiner et à développer la méthode en vue d'une utilisation à grande échelle : « Le fait que nous puissions désormais traiter des surfaces relativement grandes dans un laps de temps acceptable est la première étape vers l'industrialisation des composants électroniques en bois », explique Dreimol.
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