Matériaux en fibres de graphène fonctionnels pour applications portables avancées
Contexte académique
Avec le développement rapide des dispositifs électroniques portables, la demande de matériaux à haute performance, flexibles et durables augmente de jour en jour. Le graphène (graphene), un matériau bidimensionnel doté d’une excellente conductivité électrique, d’une résistance mécanique et d’une flexibilité, a attiré une attention croissante ces dernières années pour ses applications dans les dispositifs électroniques portables. Cependant, la transformation du graphène en fibres fonctionnelles adaptées aux dispositifs portables reste un défi majeur. Les fibres de graphène (graphene fiber, GF), en tant que nouveau matériau fibreux, héritent non seulement des propriétés exceptionnelles du graphène, mais possèdent également la flexibilité et la tissabilité des textiles, ce qui leur confère un immense potentiel d’application dans les capteurs portables, les dispositifs de stockage d’énergie flexibles et les textiles intelligents. Cette revue résume les techniques de fabrication des fibres de graphène et leurs applications dans les dispositifs électroniques portables, visant à fournir des orientations pour les recherches futures et à accélérer le processus de commercialisation des fibres de graphène.
Source de l’article
Cette revue a été co-écrite par Heng Zhai, Jing Liu, Zekun Liu et Yi Li, tous affiliés au Département des Matériaux de l’Université de Manchester et au Centre de Recherche Botnar de l’Université d’Oxford. L’article a été accepté le 5 janvier 2025 et publié la même année dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-025-00512-1.
Contenu principal de l’article
1. Techniques de fabrication des fibres de graphène
La fabrication des fibres de graphène est une étape clé pour leur application dans les dispositifs portables. L’article détaille trois méthodes principales de fabrication : la filature humide (wet spinning), la filature électrostatique (electrospinning) et la filature sèche (dry spinning).
Filature humide : C’est la méthode la plus courante, consistant à filer une solution cristal liquide d’oxyde de graphène (graphene oxide, GO) dans un bain de coagulation pour former des fibres continues. La filature humide permet de produire des fibres de graphène avec d’excellentes propriétés mécaniques et conductrices. L’article mentionne également que la qualité de la dispersion de GO, le choix de la buse de filature et la composition du bain de coagulation doivent être contrôlés pour garantir les performances des fibres.
Filature électrostatique : Cette méthode utilise un champ électrique à haute tension pour filer une dispersion de GO en nanofibres, produisant ainsi des nanofibres de graphène (graphene nanofiber, GNF) à haute conductivité et résistance à la traction. L’avantage de la filature électrostatique réside dans sa capacité à produire des fibres continues d’un diamètre compris entre 100 et 900 nanomètres, adaptées à la production à grande échelle.
Filature sèche : La filature sèche consiste à extruder directement une solution de GO en fibres sans utiliser de bain de coagulation. Bien que cette méthode produise des fibres légères, leur résistance mécanique est inférieure en raison de l’absence de processus d’échange de solvant.
2. Structure et propriétés des fibres de graphène
La conception structurelle des fibres de graphène a un impact significatif sur leurs performances. L’article présente plusieurs conceptions structurelles, telles que la structure torsadée, la structure creuse et la structure en ruban, qui peuvent améliorer considérablement les propriétés mécaniques et conductrices des fibres.
Structure torsadée : En tordant deux fibres de GO à l’état humide, on obtient une structure de feuilles de graphène parallèles, augmentant ainsi la résistance à la traction et la déformation à la rupture des fibres.
Structure creuse : Les fibres de graphène creuses possèdent une surface spécifique élevée et une conductivité élevée, les rendant adaptées aux dispositifs de stockage d’énergie flexibles tels que les supercondensateurs et les batteries.
Structure en ruban : Les fibres de graphène en ruban, fabriquées par filature humide, présentent une flexibilité et une résistance élevées, permettant la formation de structures microscopiques complexes, adaptées aux capteurs de déformation élastique et aux cellules solaires flexibles.
3. Applications des fibres de graphène dans les dispositifs électroniques portables
Les applications des fibres de graphène dans les dispositifs électroniques portables incluent principalement les technologies de détection, les dispositifs de stockage d’énergie flexibles, ainsi que les affichages et circuits flexibles.
Technologies de détection : Les fibres de graphène peuvent servir de capteurs de déformation, de pression et d’humidité, permettant une surveillance en temps réel des environnements et des déformations mécaniques. Par exemple, les fibres de graphène recouvertes de matériaux fonctionnels peuvent être utilisées pour détecter l’humidité, la pression ou la déformation, adaptées à la surveillance de la santé et aux interfaces homme-machine.
Dispositifs de stockage d’énergie flexibles : Les fibres de graphène présentent des performances exceptionnelles dans les supercondensateurs et les batteries, conservant une efficacité de stockage élevée même sous conditions de flexion et d’étirement. L’article mentionne également que la conductivité et la résistance mécanique des fibres de graphène en font un matériau idéal pour les dispositifs de stockage d’énergie flexibles.
Affichages et circuits flexibles : La haute conductivité et la flexibilité des fibres de graphène permettent leur tissage en dispositifs émetteurs de lumière ou en circuits portables. Par exemple, les fibres de graphène torsadées multibrins peuvent améliorer significativement la luminosité des affichages et la stabilité des circuits.
4. Orientations futures pour les fibres de graphène
L’article souligne que les recherches futures se concentreront sur l’amélioration des performances structurelles des fibres de graphène, leur hybridation avec d’autres matériaux et les techniques de fabrication à grande échelle. En optimisant la qualité et l’alignement des feuilles de graphène, il est possible d’améliorer davantage les propriétés mécaniques et conductrices des fibres. De plus, la production à grande échelle des fibres de graphène favorisera leur application généralisée dans les textiles intelligents et les dispositifs portables.
Importance et valeur de l’article
Cette revue résume de manière exhaustive les techniques de fabrication des fibres de graphène et leurs applications dans les dispositifs électroniques portables, fournissant une référence importante pour les recherches futures. En discutant en détail la conception structurelle, l’optimisation des performances et les perspectives d’application des fibres de graphène, l’article non seulement promeut les applications innovantes des fibres de graphène dans les dispositifs portables, mais ouvre également la voie à la commercialisation des textiles intelligents. De plus, l’article met en avant le potentiel énorme des fibres de graphène dans les domaines du stockage d’énergie flexible, de la détection et de l’affichage, offrant de nouvelles idées pour le développement de la prochaine génération de dispositifs électroniques portables.
Points forts et innovations
Conception multi-structurelle : L’article présente en détail différentes structures de fibres de graphène, telles que les structures torsadées, creuses et en ruban, démontrant leur amélioration significative des propriétés mécaniques et conductrices.
Applications multifonctionnelles : Les applications étendues des fibres de graphène dans les domaines de la détection, du stockage d’énergie et de l’affichage montrent leur immense potentiel dans les dispositifs électroniques portables.
Techniques de fabrication à grande échelle : L’article explore des techniques de fabrication à grande échelle telles que la filature humide, la filature électrostatique et la filature sèche, fournissant une base technologique pour la commercialisation des fibres de graphène.
Conclusion
Les fibres de graphène, en tant que nouveau matériau fonctionnel, présentent des perspectives d’application vastes dans les dispositifs électroniques portables. En optimisant les techniques de fabrication et la conception structurelle, les fibres de graphène peuvent non seulement améliorer les performances des dispositifs portables, mais aussi promouvoir l’application à grande échelle des textiles intelligents. Les recherches futures continueront à explorer le potentiel des fibres de graphène, favorisant leur application généralisée dans le domaine de l’électronique flexible.