Les jauges de contraintes résistives à base de nanoparticules (NP) ouvrent la voie aux écrans tactiles flexibles. Des chercheurs du groupe Nanotech à l’INSA Toulouse ont étudié à l’aide du rayonnement synchrotron de la ligne SIXS le comportement électromécanique de telles jauges de contrainte, fabriquées à partir de fils colloïdaux de nanoparticules d’or. Des changements dans la microstructure de ces fils de NP sous élongation sont liés à des variations macroscopiques de résistance électrique. Leurs travaux, publiés dans la revue Nanoscale suggèrent une extension longitudinale linéaire et une contraction transversale des fils de NP en présence de contrainte (0 à 13%).
Les propriétés optiques et électroniques uniques de nanoparticules colloïdales assemblées sur différents substrats ont été exploitées pour de multiples applications. En particulier, ces systèmes sont utilisables pour la détection de gaz, les (bio)molécules, la température, les déformations mécaniques et la photo détection. Parmi ces applications, les jauges de contrainte résistives ont suscité beaucoup d’intérêt ces dernières années. De tels capteurs, fabriqués à partir de nanoparticules colloïdales assemblées sur des substrats flexibles à l’aide de différentes techniques (pulvérisation, déposition couche par couche ou par auto-assemblage convectif) présent effectivement une grande sensitivité.
Figure 1 : (a) Image par microscopie optique de la zone active d’une jauge de contrainte typique faite de fils parallèles de Np d’or de 15nm sur un substrat de PET, et connectés à deux électrodes. (b) Image par microscopie à force atomique et vue en coupe associée d’une partie d’un fil de NP, (c) Image par microscopie électronique à balayage montrant l’organisation de la première couche des fils de NP.
Malgré leur caractère prometteur, les études concernant ces détecteurs ont été jusqu’à présent plutôt rudimentaires. Une compréhension claire du comportement électromécanique macroscopique de jauges de contraintes à base de NP nécessite une évaluation des modifications dynamiques à l’échelle nanométrique engendrées par une contrainte. La méthode la plus pertinente pour y parvenir est appelée « Diffusion des rayons X aux petits angles » ou SAXS, complétée parfois sous incidence rasante, GISAXS. Elle a déjà été utilisée pour visualiser le processus d’auto-assemblage des NP, ou pour évaluer l’organisation et la répartition des NP dans différents assemblages. Cependant, la mécanique nanométrique des NP qui conditionne la performance de jauges de contraintes à base de NP reste inexplorée, jusqu’à aujourd’hui.
Une jauge de contrainte innovante
Un exemple typique de jauge de contrainte est présentée figure 1. Il s’agit d’assemblages de NP sous forme de fil, déposés sur des substrats de polymère entre deux électrodes d’or. Les nanoparticules d’or utilisées ont un diamètre entre 5 et 21 nm. Les jauges de contrainte à base de NP sont des détecteurs résistifs pour lesquels la distance entre chaque est modifiée lorsque le substrat est étiré, induisant alors une variation de la résistance tunnel entre nanoparticules voisines, et par suite une variation de résistance exponentielle pour l’assemblage de NP.
Imagerie SAXS du mécanisme des nanoparticules
Dans leur article, les scientifiques font état d’analyses SAXS et GISAXS de jauges de contraintes à base de nanoparticules, en action afin de comprendre les mécanismes clés qui expliquent les performances de ces capteurs. Les variations de la distance moyenne entre particules sous une déformation uniaxe estimées par SAXS et GISAXS sont reliées à la déformation macroscopique et aux variations de résistance électrique de la jauge mesurées simultanément. Les résultats sont ensuite analysés à l’aide de simulations numériques de conduction électronique.
Les figures de diffusion SAXS et GISAXS obtenues sur la ligne de lumière SIXS sont analogues à celles présentées figure 2. Ces figures montrent des maximums d’ordre de diffraction multiples, qui peuvent être attribués à la diffusion des nanoparticules, montrant ainsi l’organisation verticale et latérale des NP et donc permettant de visualiser les variations de distance entre particules. Lors d’une élongation uniaxe, les anneaux circulaires visibles par diffusion SAXS sont déformés donnant lieu à une forme elliptique. Cette déformation montre que la distance entre particules augmente le long de la direction d’élongation, ainsi qu’une contraction verticale. Par ailleurs, une adhérence non idéale des nanoparticules au substrat a été mesurée.
Tous ces résultats expérimentaux sont autant d’informations précises sur le comportement mécanique des NP à l’échelle nanométrique, permettant ainsi une meilleure modélisation numérique des jauges de contraintes, et donc permettant de les optimiser.
Figure 2 : Figures de diffusion par GISAXS (a) et SAXS (b), pour des jauges sans contrainte fabriquées avec des nanoparticules d’or de 15nm. Les profils GISAXS (c) et SAXS (d) le long des lignes en pointillé sont extraits de la figure de diffusion.