Les matériaux sont-ils intelligents ?
2005/02/01 Aranberri, Ibon - Kimikan doktorea | Manchado, Juan Carlos | Garay, Dani | Matellanes, Lina | Dios, J. Ramón Iturria: Elhuyar aldizkaria
Les matériaux intelligents – intelligents ou intelligents en anglais – sont aussi appelés matériaux actifs ou multifonctionnels. Ces matériaux sont capables de répondre à des stimuli physiques et chimiques provenant du milieu. Mais pas de toute façon. La réponse doit être réversible et contrôlée. Le bois, par exemple, est gonflé s'il est mouillé, mais quand il est séché il ne revient pas à la surface. Selon cette classification, le bois ne serait pas un matériau intelligent, même s'il répond à un stimulus externe.
Les matériaux intelligents sont utiles pour le développement de nouveaux capteurs et actionneurs, capables de donner une réponse à la quinada ‘sentie’ et d’envoyer des informations d’un côté à l’autre de la structure, et ces capteurs, à leur tour, servent à développer de nouvelles structures, bâtiments, ponts, etc., en analysant à tout moment leurs caractéristiques. Ils sont déjà en usage.
Différents types de types
Les matériaux intelligents peuvent être organiques ou inorganiques, métalliques, céramiques ou polymères. Par conséquent, l'utilisation peut également être illimitée. Cependant, parmi tous les matériaux intelligents, les polymères sont les plus utilisés actuellement. En effet, en plus d'être léger, dur et bon marché, ils peuvent être synthétisés et transformés avec une relative facilité, en s'adressant facilement aux applications souhaitées.
Certains matériaux intelligents ont la capacité de ‘se rappeler’ leur forme. Ils sont appelés avec mémoire de forme. Sous un champ électrique ou par effet de la température ils se déforment et en annulant le stimulus physique reviennent à la situation précédente. Les plus connus sont les SMA (Shape Memory Alloys ou alliages à mémoire de forme), mais ces dernières années, ils étudient également les SMP (Shape Memory Polymers, polymères à mémoire de forme). Les SMP ont déjà été commercialisés aux États-Unis et au Japon, mais pas en Europe.
D'autres, avec des stimuli similaires, modifient leurs propriétés physiques. Par exemple, les électroactifs et les magnétoactifs varient selon le champ électrique ou magnétique environnant. Plusieurs, piézoélectriques, sont capables de transformer l'énergie électrique de la zone en énergie mécanique et vice versa.
Les solides et les fluides électroreologiques sont également sensibles aux champs électriques et magnétiques. Ils sont dispersés formés de particules d'environ 5-10 micromètres. En l'absence de zones, les dispersions sont totalement fluides, mais sous la zone les particules s'alignent et le liquide acquiert les propriétés des solides.
Ensuite, une fois la zone disparue, les particules se détachent et le fluide retrouve ses caractéristiques intrinsèques, dans ce cas la fluidité.
Il existe sur le marché, par exemple, des voitures avec des amortisseurs intelligents fabriqués à partir de fluides magnétiques. Et grâce à eux, vous n'avez pas besoin de chercher des points d'équilibre entre conduire avec confort et sécurité. En fait, aujourd'hui les amortisseurs les plus sûrs sont aussi les plus durs. Par conséquent, les constructeurs automobiles se comportent avec la sécurité minimale légalement établie pour augmenter le confort des véhicules.
Cependant, avec les fluides magnétiques, ce besoin d'équilibre disparaît et des voitures de grande sécurité et de confort peuvent être construites. En général, l'automobile est un domaine très approprié pour les matériaux intelligents, car l'électronique et les capteurs ont gagné en force.
Les polymères conducteurs sont également des matériaux électroactifs importants. Jusqu'à récemment, l'une des principales caractéristiques des polymères était leur caractère isolant, mais il n'y a pas si longtemps on a trouvé la possibilité que plusieurs polymères puissent être conducteurs. Le polyacétylène, le polypyrrol et la polyaniline sont les plus connus et étudiés. Et il est possible qu'à l'avenir de nombreux câbles métalliques puissent être remplacés par des polymères conducteurs.
Pour le moment, ils peuvent être trouvés dispersés sur les téléphones mobiles et sur les écrans plats de couleur des nouvelles télévisions. Fabriqués en matériaux électroluminescents, ils présentent les avantages suivants: ils sont légers, ils ne se chauffent pas et sont de puissants émetteurs de lumière.
En tout cas, il s'agit d'un champ de recherche puissant dans lequel les chercheurs ont découvert la conductivité des polymères, prix Nobel reçu en 2000.
Il y a aussi des conducteurs qui ne sont pas des conducteurs mais qui répondent aux rayons de lumière. Ces matériaux sont considérés comme photoactifs et peuvent subir des variations de différents types. Les matériaux phosphorescents et fluorescents sont mis en évidence.
Les deux sont capables d'émettre des rayons de lumière. Les matériaux phosphorescents émettent de nouveau la lumière/énergie reçue dès qu'ils reçoivent les rayons et l'émetteur est éteint (de nombreuses aiguilles des montres, par exemple, reçoivent la lumière du jour et s'illuminent la nuit). Les fluorescents sont blancs dans la lumière normale de jour, mais s'ils reçoivent la lumière ultraviolette ils émettent simultanément la lumière fluorescente puissante. Les matériaux électroluminescents deviennent également de puissants émetteurs de lumière après avoir reçu un courant électrique.
Enfin, on trouve les soi-disant chromoactifs. Ils sont capables de changer de couleur s'ils supportent un courant électrique – élétrocromique –, un rayonnement ultraviolet – photocrologique – ou un changement de température – les thermochromes. Logiquement, une fois l'énergie reçue épuisée, le matériau récupérerait sa couleur d'origine.
Par exemple, les matériaux qui changent de couleur avec la température seraient d'une grande aide dans la vie quotidienne, en particulier du point de vue de la sécurité. La fabrication de poêles, cafetières ou verres avec des matériaux thermochromiques permettrait de détecter facilement leur température et de réduire considérablement les brûlures et les accidents. Quant aux enfants, tant par biberon que par bain, ils peuvent être très intéressants.
Dans le domaine des emballages et emballages, des étiquettes intelligentes sont également utilisées pour améliorer la qualité des produits. Ces étiquettes garantissent la qualité du produit et fournissent des informations détaillées sur les processus de production et de distribution.
En outre, la température de nombreux produits peut également être déterminée en fonction de la couleur de l'étiquette. En Angleterre, par exemple, l'étiquette de bière Newscastle a une étoile bleue. L'étiquette s'assombrit ou s'éclaircit en fonction de la température, ce qui permet au client de savoir si la bière est suffisamment froide avant de prendre la bouteille.
Évidemment, les matériaux intelligents ont déjà été utilisés dans des applications très réussies. De nouveaux systèmes et produits ont été développés, mais surtout on a réussi à réduire le poids et la complexité des dispositifs déjà utilisés. Et il faut garder à l'esprit qu'avec des matériaux intelligents, vous ne voulez pas faire totalement de nouveaux produits, mais il s'agit de faire plus beau, pas cher, fiable et, en bref, plus à l'aise beaucoup de produits sur le marché.
Pour cela, le travail des groupes de recherche universitaires et des centres technologiques sera déterminant dans les années à venir. La recherche fondamentale des équipes universitaires nous aidera à mieux comprendre ces matériaux. Les centres technologiques, pour leur part, devront travailler sur les applications de ces matériaux pour offrir de nouveaux et meilleurs produits à la société.
De cette façon, nous passerons de l’ère des matériaux ‘passifs’ à celle des matériaux ‘actifs’, des matériaux qui savent ‘répondre’ et qui sait ce qui arrivera dans le futur. Lors des journées sur les matériaux intelligents organisées par GAIKER, le professeur Jan Van Humbeeck a annoncé que, en plus des matériaux intelligents ou lumineux, nous connaîtrons peut-être aussi les ‘sages’.
Matériaux intelligents dans la CAPV Au centre technologique GAIKER, nous travaillons avec des polymères, des plastiques et des composites. D'une part, les polymères conducteurs sont mélangés avec le polypropylène (PP) et le polystyrène (PS) couramment utilisé dans l'automobile. Les polymères conducteurs actuellement disponibles sur le marché présentent des caractéristiques mécaniques relativement faibles, dans le but de générer des plastiques avec de meilleures performances. En outre, des matériaux magnétiques et électroreologiques sont étudiés. Nous développons des suspensions avec des particules et des huiles différentes, afin d'obtenir des suspensions comme celles existantes sur le marché. Pour cela, outre la viscosité des fluides à utiliser, il est nécessaire de contrôler la quantité, le poids et les forces entre les particules. De plus, nous faisons partie d'un projet sur des solides magnétologiques financés par l'Union européenne. Nous travaillons avec des élastomères, un type de polymère. Nous incorporons des microparticules de fer aux élastomères, puis, en établissant un champ magnétique, nous mesurons la résistance mécanique que ces matériaux génèrent. L'objectif est d'obtenir un amortisseur puissant pour les voitures et pour le moment les résultats sont encourageants. En outre, avec le Laboratoire de chimie macromoléculaire de Leioa, nous travaillons avec des polymères piézoélectriques et des mémoires de forme, les synthétisant et recherchant leur transformation. Souvent, cependant, les nouveaux polymères peuvent être synthétisés initialement en très petites quantités et, malheureusement, ils prennent beaucoup de temps à être commercialisés. D'autre part, il est nécessaire de trouver des entreprises intéressées par ces nouvelles applications et technologies. En fait, bien que ces technologies apportent une valeur ajoutée aux produits, souvent les petites entreprises ne veulent pas entrer dans ce genre de questions. Dans la Communauté Autonome du Pays Basque, les équipes qui travaillent avec des matériaux intelligents ont constitué le consortium ACTIMAT: MTC, CIDETEC, ROBOTIKER, INASMET, IKERLAN et les centres technologiques GAIKER; Mondragon Unibertsitatea; et le Laboratoire de chimie macromoléculaire de l'UPV, le Groupe de magnétisme et de matériaux magnétiques et le Groupe de métallurgie physique (les deux). Le groupe est dirigé par le centre technologique GAIKER depuis 2000 et est subventionné par le Département de l'Industrie, du Commerce et du Tourisme du Gouvernement Basque à travers le programme ETORTEK. |
Des structures intelligentesLes matériaux intelligents sont également utilisés pour la conception et la construction de structures intelligentes. Dans ces systèmes, la fibre optique est utilisée pour transférer des informations d'un côté à l'autre. Les fibres optiques sont des matériaux à haute sensibilité qui peuvent également être utilisés comme capteurs. Ils sont capables de détecter des changements de température, des forces différentes, des déformations, des changements de tension, etc. et de transporter des informations. Les structures intelligentes sont des systèmes complexes avec des capteurs et des actionneurs. Ils sont capables d'expliquer l'état du système lui-même (température, déformation, corrosion...) et de modifier certains paramètres du matériel lui-même (couleur, forme, dureté...). Par conséquent, ils sont capables de répondre parfaitement à la mission pour laquelle ils ont été conçus. |
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