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Jul 25, 2023

Matériaux du futur : graphène et lignine

L’utilisation du bois dans la construction a refait surface en raison des préoccupations croissantes concernant l’impact environnemental du béton. Cependant, le bois absorbe l'humidité de son environnement, ce qui entraîne la pourriture, la moisissure et

L’utilisation du bois dans la construction a refait surface en raison des préoccupations croissantes concernant l’impact environnemental du béton. Cependant, le bois absorbe l’humidité de son environnement, ce qui entraîne la pourriture, la moisissure et d’autres types de dommages. Rien qu'en Suède, le coût de réparation des dégâts d'eau dans les bâtiments dépasse 500 000 000 d'euros par an. Pour résoudre ce problème, les chercheurs des instituts de recherche membres associés de Suède (RISE) ont développé un capteur de graphène intégré dans le bois qui peut détecter à la fois l'humidité ambiante et l'humidité à l'intérieur du bois.

RISE coordonne le Digital Cellulose Center (DCC), qui vise à intégrer les matériaux et produits forestiers dans le monde numérique, via l'électronique durable et l'économie circulaire. "Le capteur d'humidité et d'humidité au graphène a vraiment démontré une méthode durable pour l'électronique et a suscité un grand intérêt de la part des partenaires universitaires et industriels de DCC", déclare Ursula Hass, directrice du centre DCC, basée à RISE.

Dans cette méthode de « lignographie », l'équipe a modélisé des capteurs à l'aide d'une encre imprimable composée de lignine – un polymère organique complexe présent dans les parois cellulaires de nombreuses plantes et un sous-produit de l'industrie du papier et de la pâte à papier – et de cellulose, qui ont été converties en graphite ou en graphite. graphène lors de l'irradiation avec un faisceau laser.

Suite au processus de graphitisation, ces capteurs ont pu mesurer des niveaux d'humidité compris entre 10 % et 90 % à 25°C dans différents types de bois. Les capteurs fabriqués en bois d'épicéa et de pin présentaient une sensibilité élevée, avec des valeurs de 2,6 et 0,74 MΩ pour chaque augmentation de 1 % de l'humidité, respectivement. Enfin, les chercheurs ont montré que les changements d'humidité collectés par ces capteurs peuvent être lus à distance grâce à un ordinateur connecté ou visualisés avec un simple système LED.

Capteur d'humidité fabriqué en bois d'épicéa disponible dans le commerce. a) Le bois a d'abord été enduit d'une encre à base d'eau contenant de la lignine et des polymères cellulosiques en forme d'épicéa. Un laser CO2 a ensuite été utilisé pour produire deux électrodes de carbone à partir du revêtement d'encre, tout en laissant une partie de l'encre intacte entre les électrodes pour servir de couche d'adsorption pour la détection de l'humidité. b) Deux capteurs fabriqués sur une surface en bois, l'un scellé du côté avant, tandis que l'autre était maintenu ouvert à l'environnement ambiant. (Crédit : RISE)

Les chercheurs de RISE ont également démontré des composants électroniques graphités à la lignine, tels que des résistances et des collecteurs d'énergie triboélectrique, impliquant des processus de « lignographie » similaires.

« Les recherches de notre groupe ouvrent la voie au développement de capteurs à base de biographène, de récupérateurs d'énergie et d'appareils et circuits électroniques basés sur des matériaux durables et recyclables, tels que le bois et le papier. En utilisant ces matériaux qui peuvent être jetés dans les poubelles papier, nous espérons éliminer le besoin de poubelles électroniques », explique Mohammad Yusuf Mulla de RISE.

Au-delà des capteurs d'humidité sur le bois, les chercheurs de RISE en collaboration avec Lignin Industries AB et Bloom Renewables SA travaillent également sur de nouveaux types de matériaux à base de lignine capables de détecter la pression et les entrées mécaniques. Par exemple, ces « matériaux intelligents » peuvent être utilisés pour faire fonctionner des interrupteurs marche/arrêt et des commandes de volume en pliant ou en tapotant au lieu d'appuyer sur des boutons.

L'équipe prépare les matériaux intelligents à base de lignine en modifiant chimiquement la lignine en formulations thermodurcies ou thermoplastiques. Des additifs fonctionnels tels que BaTiO3 et de l'oxyde de graphène réduit sont ajoutés à ces composites. Lorsqu'une force externe est appliquée à un cristal BaTiO3, la structure cristalline est déformée, provoquant la séparation de ses charges positives et négatives et entraînant la génération d'un champ électrique. Dans le même temps, le graphène – un excellent conducteur d’électricité – augmente la conductivité des composites à base de lignine, permettant ainsi un transfert efficace des charges électriques. Comparés aux matériaux piézoélectriques commerciaux à base de plomb, les matériaux à base de lignine constituent un additif plus sûr et plus durable pour les capteurs tactiles et de pression.