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Des puces électroniques biodégradables à base de cellulose

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En 2014, le monde a produit près de 42 millions de tonnes de déchets électroniques et parmi eux, un nombre grandissant de puces contenant des matériaux non biodégradables et potentiellement toxiques. Une équipe de chercheurs propose aujourd'hui de résoudre le problème en produisant des puces électroniques presque entièrement faites de bois.

Une puce électronique à base de nanofibrilles de cellulose (CNF) posée sur une feuille. © Yei Hwan Jung, Wisconsin Nano Engineering Device Laboratory

Les puces électroniques font aujourd'hui tellement partie intégrante de notre quotidien que nous ne leur prêtons plus aucune attention. Même pas lorsque nous les jetons aux ordures. Pourtant, elles sont généralement constituées de matériaux non renouvelables, non biodégradables et potentiellement toxiques comme l'arséniure de gallium. Pour limiter l'impact environnemental de ces systèmes, des chercheurs de l'université du Wisconsin ont étudié, en collaboration avec des scientifiques du Laboratoire des produits de l'agriculture et de la forêt, une alternative étonnante.

Dans un article publié dans la revue Nature Communications, les chercheurs américains suggèrent d'utiliser comme substrat des puces électroniques de demain, du papier de nanofibrilles de cellulose (CNF), un dérivé du bois, transparent, flexible et biodégradable. Selon les résultats de leur étude, ces puces biosourcées offrent des performances semblables à celles des puces plus classiques.

Depuis l'avènement de la chimie verte, il y a quelques années, les nanocelluloses suscitent un vif intérêt, tant auprès des chercheurs que des industriels. Car la cellulose est renouvelable et biodégradable. Elle est également la matière organique la plus abondante sur Terre. À l'échelle moléculaire, elle forme des arrangements ordonnés de chaînes cellulosiques parallèles qui sont à la base d'une structure cristalline appelée fibrille. Les nanofibrilles de cellulose sont donc de longues et très fines fibres présentant des propriétés (grande surface spécifique, mouillabilité, grande résistance mécanique, transparence, etc.) qui pourraient être exploitées dans différents domaines.

Image au microscope électronique à balayage de nanofibrilles de cellulose. © University of Florida

Des matériaux biosourcés difficiles à mettre en œuvre

Mais employer des matériaux biosourcés pour produire des systèmes électroniques n'est pas si simple. Les matériaux dérivés du bois, par exemple, ne sont pas suffisamment lisses et entrainent des problèmes de dilatation/contraction thermique. Le bois en effet présente la fâcheuse tendance à absorber l'humidité de l'air. La solution proposée par les chercheurs américains : un revêtement époxy qui permet à la fois de lisser le matériau et de faire barrière à l'humidité ambiante. De quoi produire des substrats pour puces électroniques durables et biocompatibles. Et lorsque l'on sait que le substrat représente 99 % de la masse d'une puce...

L'équipe a également travaillé sur le process de fabrication afin d'optimiser l'usage du papier de nanofibrilles de cellulose. Les chercheurs ont ainsi pu produire 1.500 transistors à partir d'une feuille de 5 millimètres sur 6. Classiquement, une grande part du substrat est perdue et ce ne sont que 8 à 40 transistors qui peuvent être produits à partir d'une telle surface.

« Les techniques de production actuelles sont rodées et bon marché. L'industrie aura donc sans doute besoin d'un peu de temps avant d'adopter les puces en bois », regrette Zhenqiang « Jack » Ma, professeur en génie électronique et informatique à l'université du Wisconsin. Cependant, la souplesse du substrat à base de nanofibrilles de cellulose pourrait rapidement présenter un avantage de taille dans le cadre du développement de l'électronique flexible.