Un nano capteur de pression

Tournez, pliez ou comprimez les matériaux piézoélectriques, et ils produisent de l'électricité, un effet utilisé dans les microphones et les téléphones. Maintenant, tirant parti de l'effet piézoélectrique des nanofils d'oxyde de zinc, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont fabriqué de minuscules dispositifs capables de mesurer des forces extrêmement faibles, de l'ordre du nano au piconewton. Il s'agit de la force impliquée dans les interactions entre deux molécules, dit Zhong Lin Wang , le professeur de science des matériaux et d'ingénierie à Georgia Tech qui a dirigé la recherche.

Sentez-vous cela? Les nanofils d'oxyde de zinc sont extrêmement sensibles à des forces minuscules, de l'ordre du nano-au piconewton. Lorsqu'une petite force (flèche) plie un nanofil, des charges électriques s'accumulent à la surface du fil et diminuent le courant circulant dans le fil. Le principe pourrait être utilisé pour fabriquer de petits capteurs de pression qui peuvent être implantés dans le corps et sur les avions et les navettes spatiales.

Être capable de mesurer de si petites forces pourrait conduire à des dispositifs qui pourraient être implantés dans le corps pour mesurer en continu les changements infimes de la pression artérielle, explique Wang. Les capteurs pourraient également être installés sur les ailes des avions et des engins spatiaux pour surveiller de très faibles fluctuations de pression. Et parce que le flux de courant à travers le nanofil réagit rapidement, il pourrait être utilisé pour créer un déclencheur sensible pour les airbags de voiture. S'il est soumis à une force externe, il s'éteint en une microseconde, dit Wang.

L'idée d'utiliser l'effet piézoélectrique pour fabriquer des capteurs de pression n'est pas nouvelle, dit Toh-Ming Lu , professeur de physique appliquée au Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Ce qui est vraiment intéressant, c'est de le faire à si petite échelle, à l'échelle nanométrique, dit-il.

En connectant les deux extrémités d'un nanofil d'oxyde de zinc à des électrodes, le groupe de Wang a fabriqué des dispositifs similaires aux transistors des appareils électroniques. Dans un transistor électronique, l'application d'une tension à l'électrode de grille contrôle le flux de courant entre les électrodes de source et de drain. Dans le nouveau transistor de détection de pression, les deux électrodes auxquelles le nanofil est connecté agissent comme source et drain, mais il n'y a pas de grille. Au lieu d'appliquer une tension à la grille, on plie simplement le fil.

Lorsque le nanofil se plie, le côté extérieur étiré du fil plié se charge positivement, tandis que la surface intérieure comprimée se charge négativement. La différence de charges crée une tension qui se substitue à la tension de grille.

L'oxyde de zinc est biocompatible, on pourrait donc implanter le capteur de pression à nanofils dans le bras pour surveiller la pression artérielle en continu, dit Wang. Le capteur pourrait transmettre la lecture de la pression à un récepteur sur sa montre qui affiche les données.

Parce que le dispositif est basé sur la déformation dans un seul nanofil, on pourrait penser que la sensibilité peut être très élevée, explique Yi Cui , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford.

Un avantage du capteur de pression est qu'il pourrait être transformé en un appareil totalement auto-alimenté en le combinant avec un nanogénérateur, ce que le groupe de Wang a déjà démontré. (Voir Électricité gratuite des nanogénérateurs.) Le nanogénérateur exploiterait l'énergie mécanique des vaisseaux sanguins pulsés et produirait de l'électricité qui alimenterait le capteur de pression.

Le concept pourrait également être appliqué à d'autres types de détection. Une utilisation de l'appareil pourrait être un biocapteur, dit Cui. Le principe est que des molécules heurtant ou collant les nanofils déformeraient le fil et modifieraient le courant qui le traverse. Les chercheurs pourraient également développer un capteur chimique, dans lequel la réaction chimique perturbe le nanofil, explique Lu de RPI.

L'idée est actuellement au stade du laboratoire et les chercheurs doivent encore concevoir un dispositif de capteur de pression auto-alimenté. Ce défi d'ingénierie pourrait ne pas être facile, dit Lu. L'idée de base est plutôt bonne, dit-il. Exactement comment vous le feriez - le mettre dans le corps et obtenir la réponse, déterminer quel est le signal, quel est le bruit - c'est toujours un défi.

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