Illustration d’artiste d’un polymère électronique dans l’eau conducteur de charges ioniques et électroniques. Crédit : Scott T. Keene
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont dévoilé une découverte surprenante qui pourrait potentiellement remodeler le paysage des dispositifs électrochimiques. Cette nouvelle vision ouvre la porte à la création de matériaux de pointe et ouvre la voie à des améliorations dans des secteurs tels que le stockage d’énergie, l’informatique neuromorphique et la bioélectronique.
Les appareils électrochimiques reposent sur le mouvement de particules chargées, à la fois des ions et des électrons, pour fonctionner correctement. Cependant, comprendre comment ces particules chargées se déplacent ensemble constitue un défi de taille, entravant les progrès dans la création de nouveaux matériaux pour ces dispositifs.
Dans le domaine en évolution rapide de la bioélectronique, des matériaux conducteurs souples appelés polymères conjugués sont utilisés pour développer des dispositifs médicaux pouvant être utilisés en dehors des contextes cliniques traditionnels. Par exemple, ce type de matériau peut être utilisé pour fabriquer des capteurs portables qui surveillent à distance la santé des patients ou des dispositifs implantables qui traitent activement les maladies.
Le plus grand avantage de l’utilisation d’électrodes polymères conjuguées pour ce type d’appareils est leur capacité à coupler de manière transparente les ions, responsables des signaux électriques dans le cerveau et le corps, avec les électrons, porteurs de signaux électriques dans les appareils électroniques. Cette synergie améliore la connexion entre le cerveau et les dispositifs médicaux, traduisant efficacement ces deux types de signaux.
Dans cette dernière étude sur les électrodes en polymères conjugués, publiée dans Matériaux naturels, les chercheurs font état d’une découverte inattendue. Il est généralement admis que le mouvement des ions constitue la partie la plus lente du processus de charge, car ils sont plus lourds que les électrons. Cependant, l’étude a révélé que dans les électrodes polymères conjuguées, le mouvement des « trous » – des espaces vides dans lesquels les électrons peuvent se déplacer – peut être le facteur limitant de la rapidité avec laquelle le matériau se charge.
À l’aide d’un microscope spécialisé, les chercheurs ont observé de près le processus de charge en temps réel et ont découvert que lorsque le niveau de charge est faible, le mouvement des trous est inefficace, ce qui ralentit le processus de charge beaucoup plus que prévu. En d’autres termes, et contrairement aux connaissances classiques, les ions se conduisent plus rapidement que les électrons dans ce matériau particulier.
Cette découverte inattendue fournit des informations précieuses sur les facteurs influençant la vitesse de chargement. Fait intéressant, l’équipe de recherche a également déterminé qu’en manipulant la structure microscopique du matériau, il est possible de réguler la rapidité avec laquelle les trous se déplacent pendant le chargement. Ce nouveau contrôle et cette capacité à affiner la structure du matériau pourraient permettre aux scientifiques de concevoir des polymères conjugués aux performances améliorées, permettant des processus de charge plus rapides et plus efficaces.
« Nos résultats remettent en question la compréhension conventionnelle du processus de charge dans les dispositifs électrochimiques », a déclaré le premier auteur Scott Keene, du laboratoire Cavendish de Cambridge et de la division de génie électrique. « Le mouvement des trous, qui agissent comme des espaces vides dans lesquels les électrons peuvent se déplacer, peut être étonnamment inefficace à de faibles niveaux de charge, provoquant des ralentissements inattendus. »
Les implications de ces découvertes sont considérables et offrent une voie prometteuse pour la recherche et le développement futurs dans le domaine des dispositifs électrochimiques destinés à des applications telles que la bioélectronique, le stockage d’énergie et l’informatique cérébrale.
« Ce travail aborde un problème de longue date en électronique organique en éclairant les étapes élémentaires qui ont lieu lors du dopage électrochimique de polymères conjugués et en mettant en évidence le rôle de la structure de bande du polymère », a déclaré George Malliaras, auteur principal de l’étude et Prince Philip Professeur de technologie à la Division de génie électrique du Département de génie.
« Grâce à une compréhension plus approfondie du processus de charge, nous pouvons désormais explorer de nouvelles possibilités dans la création de dispositifs médicaux de pointe pouvant s’intégrer de manière transparente au corps humain, de technologies portables permettant une surveillance de la santé en temps réel et de nouvelles solutions de stockage d’énergie avec une efficacité améliorée », a conclu le professeur Akshay Rao, co-auteur principal, également du laboratoire Cavendish de Cambridge.
La recherche a été soutenue en partie par le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), une partie du UK Research and Innovation (UKRI), le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, le NVIDIA Academic Hardware Grant Program, le Clare College et le Commission royale pour l’exposition de 1851. Scott Keene est boursier postdoctoral Marie Skłodowska-Curie au Laboratoire Cavendish et à la Division de génie électrique du Département d’ingénierie.
