Une nouvelle fenêtre sur le verre « intelligent »

De la fixation des os à la fabrication de surfaces antibactériennes,Michel Allens'entretient avec les chercheurs qui fabriquent du verre doté de fonctionnalités et de performances supplémentaires

Le verre est omniprésent dans la vie de tous les jours. Très transparent, stable et durable, c'est un matériau important pour une myriade d'applications, des simples fenêtres aux écrans tactiles de nos derniers gadgets en passant par les composants photoniques pour les capteurs de haute technologie.

Les verres les plus courants sont fabriqués à partir de silice, de chaux et de soude. Mais pendant des siècles, des ingrédients supplémentaires ont été ajoutés au verre pour conférer des propriétés telles que la couleur et la résistance à la chaleur. Et les chercheurs travaillent toujours sur le verre, cherchant à lui donner plus de fonctionnalités et à améliorer ses performances pour des tâches spécifiques, créant du verre de plus en plus high-tech et ce que l'on pourrait appeler du verre "intelligent".

Les matériaux intelligents ne sont pas faciles à définir, mais ils sont généralement conçus pour répondre d'une manière spécifique aux stimuli externes. En termes de verre, l'application "intelligente" la plus évidente concerne les fenêtres, en particulier le contrôle de la quantité de lumière qui traverse le verre. De cette façon, nous pouvons augmenter l'efficacité énergétique de n'importe quel bâtiment : réduire la chaleur en été, tout en la gardant au chaud par temps froid.

La couleur ou l'opacité de certains verres intelligents peut être modifiée en appliquant une tension au matériau, modifiant ainsi certaines propriétés optiques - telles que l'absorption et la réflectance - de manière réversible. De telles fenêtres intelligentes "électrochromes" peuvent contrôler la transmission de certaines fréquences de lumière, telles que l'ultraviolet ou l'infrarouge, à la demande, voire les bloquer complètement. L'application de cette technologie est populaire non seulement dans les bâtiments, mais également dans les écrans électroniques et les vitres teintées des voitures.

En effet, les vitrages électrochromes sont en avance sur les autres technologies dans ce domaine, et ont déjà été commercialisés. Mais malgré leur bon fonctionnement, ils présentent des inconvénients évidents. Ils sont assez complexes et coûteux, et leur modernisation dans des bâtiments plus anciens nécessite généralement l'installation de nouvelles fenêtres, de cadres de fenêtres et de connexions électriques. Ils ne sont pas non plus automatiques - vous devez les activer et les désactiver.

Pour résoudre certains de ces problèmes, les chercheurs ont travaillé sur des fenêtres thermochromiques, qui sont déclenchées par des changements de température au lieu de tension. Une grande attraction est qu'ils sont passifs - une fois installés, leurs propriétés changent avec la température ambiante, sans intervention humaine. La méthode dominante pour créer de telles fenêtres thermochromiques consiste à appliquer un revêtement de dioxyde de vanadium sur le verre (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018), mais d'autres matériaux tels que les pérovskites peuvent également être utilisés (J. App. Energy254 113690). Ces matériaux subissent une transition de phase, devenant plus ou moins transparents à mesure que la température change, un effet qui peut être réglé pour différentes conditions.

Bien que le dioxyde de vanadium soit très prometteur pour les fenêtres intelligentes, il reste des obstacles à surmonter. En raison de sa forte absorption, le dioxyde de vanadium produit une teinte jaune brunâtre désagréable et des travaux supplémentaires sont nécessaires sur la stabilité environnementale (Adv. Manuf.6 1). Une étude récente suggère également que même si ces technologies pourraient permettre des économies d'énergie importantes, des recherches supplémentaires sont nécessaires sur leur utilisation et leur impact dans des contextes réels. Par exemple, il a été constaté que la performance énergétique des fenêtres thermochromiques varie beaucoup entre différentes villes utilisant le même type de film, mais beaucoup moins entre différents types de films utilisés dans la même ville (J. App. Energy255113522).

Mais le verre high-tech ne s'arrête pas aux fenêtres intelligentes. Les chercheurs ont découvert que s'ils ajoutaient plus de métaux inhabituels au verre, cela pouvait aider à protéger les panneaux solaires et à les rendre plus efficaces (voir encadré : Améliorer le verre de protection photovoltaïque). Le verre bioactif, quant à lui, peut nous aider à faire repousser les os et autres tissus (voir encadré : Fixer les os et autres tissus), tandis que de nouveaux procédés de gravure pourraient nous permettre d'ajouter de multiples fonctions au verre sans avoir besoin de revêtements de surface (voir encadré : Antireflet, autonettoyant et antibactérien). Et bien que n'étant pas des verres optiques traditionnels, de nouveaux matériaux à changement de phase pourraient aider à créer des systèmes optiques plus légers et plus compacts (voir encadré : Contrôle non mécanique de la lumière). Enfin, le verre pourrait même un jour être capable de se guérir (voir encadré : Verre immortel).

Cela peut sembler surprenant, mais tout le soleil n'est pas bon pour les cellules solaires. Alors que les unités photovoltaïques convertissent la lumière infrarouge et visible en énergie électrique, la lumière ultraviolette (UV) les endommage. Tout comme un coup de soleil, la lumière UV a un impact négatif sur les polymères à base de carbone utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques. Les chercheurs ont découvert que les dommages causés par la lumière UV rendaient la couche semi-conductrice organique plus résistante électriquement, réduisant le flux de courant et l'efficacité globale de la cellule.

Ce problème ne se limite pas aux cellules organiques. La lumière UV entrave également le photovoltaïque à base de silicium, plus courant, qui consiste en un empilement de différents matériaux. La couche photoactive à base de silicium est prise en sandwich entre des polymères qui la protègent des infiltrations d'eau, et cette unité est ensuite surmontée d'un couvercle en verre, qui la protège davantage des éléments tout en laissant passer la lumière du soleil. Le problème avec la lumière UV est qu'elle endommage les polymères, permettant à l'eau de pénétrer et de corroder les électrodes.

Paul Bingham, expert en verre à l'Université de Sheffield Hallam, au Royaume-Uni, explique que pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires, "la direction primordiale du voyage au cours des dernières décennies a été de rendre le verre de plus en plus clair". Cela signifie éliminer les produits chimiques qui colorent le verre, comme le fer, qui produit une teinte verte. Malheureusement, comme l'explique Bingham, cela laisse passer plus de lumière UV, endommageant davantage le polymère.

Bingham et ses collègues sont donc allés dans l'autre sens - ils ont dopé chimiquement le verre de manière à ce qu'il absorbe la lumière UV nocive mais soit transparent à la lumière infrarouge et visible utile. Le fer n'est toujours pas un additif idéal, car il absorbe certaines longueurs d'onde visibles et infrarouges, et il en va de même pour d'autres métaux de transition de première rangée tels que le chrome et le cobalt.

Au lieu de cela, l'équipe de Bingham a expérimenté des éléments de transition de deuxième et troisième rangées qui ne seraient normalement pas ajoutés au verre, tels que le niobium, le tantale et le zirconium, ainsi que d'autres métaux comme le bismuth et l'étain. Ceux-ci créent une forte absorption des UV sans aucune coloration visible. Lorsqu'il est utilisé dans le verre de protection, cela prolonge la durée de vie des panneaux photovoltaïques et les aide à maintenir un rendement plus élevé, de sorte qu'ils génèrent plus d'électricité plus longtemps.

Le processus a également un autre avantage. "Ce que nous avons découvert, c'est que de nombreux dopants absorbent les photons UV, perdent un peu d'énergie, puis les réémettent sous forme de photons visibles, donc de fluorescence en gros", explique Bingham. Ils créent des photons utiles qui peuvent être convertis en énergie électrique. Dans une étude récente, les chercheurs ont montré que de tels verres peuvent améliorer l'efficacité des modules solaires jusqu'à environ 8 % par rapport au verre de protection standard (Prog. in Photovoltaics 10.1002/pip.3334).

En 1969, l'ingénieur biomédical Larry Hench, de l'Université de Floride, cherchait un matériau capable de se lier à l'os sans être rejeté par le corps humain. Alors qu'il travaillait sur une proposition pour le US Army Medical Research and Design Command, Hench s'est rendu compte qu'il y avait un besoin pour un nouveau matériau qui pourrait former un lien vivant avec les tissus du corps, sans être rejeté, comme c'est souvent le cas avec les implants en métal et en plastique. Il a finalement synthétisé le Bioglass 45S5, une composition particulière de verre bioactif qui est maintenant déposée par l'Université de Floride.

Combinaison spécifique d'oxyde de sodium, d'oxyde de calcium, de dioxyde de silicium et de pentoxyde de phosphore, le verre bioactif est maintenant utilisé comme traitement orthopédique pour restaurer les os endommagés et réparer les défauts osseux. "Le verre bioactif est un matériau que vous mettez dans le corps et il commence à se dissoudre, et comme il le fait, il dit en fait aux cellules et aux os de devenir plus actifs et de produire de nouveaux os", explique Julian Jones, un expert du matériau, de l'Imperial College de Londres, au Royaume-Uni.

Jones explique qu'il y a deux raisons principales pour lesquelles le verre fonctionne si bien. Tout d'abord, lorsqu'il se dissout, il forme une couche superficielle d'apatite hydroxycarbonate, qui est similaire au minéral de l'os. Cela signifie qu'il interagit avec l'os et que le corps le considère comme un objet natif plutôt qu'étranger. Deuxièmement, en se dissolvant, le verre libère des ions qui signalent aux cellules de produire de l'os nouveau.

Cliniquement, le verre bioactif est principalement utilisé sous forme de poudre qui est formée dans un mastic puis poussé dans le défaut osseux, mais Jones et ses collègues ont travaillé sur des matériaux de type échafaudage imprimés en 3D pour des réparations structurelles plus importantes. Ce sont des hybrides inorganiques-organiques de verre bioactif et de polymère qu'ils appellent Bioglass rebondissant. L'architecture imprimée en 3D offre de bonnes propriétés mécaniques, mais aussi une structure qui encourage les cellules à se développer dans le bon sens. En fait, Jones a découvert qu'en modifiant la taille des pores de l'échafaudage, les cellules souches de la moelle osseuse peuvent être encouragées à développer soit de l'os, soit du cartilage. "Nous avons eu un énorme succès avec le cartilage rebondissant Bioglass", déclare Jones.

Le verre bioactif est également utilisé pour régénérer les plaies chroniques, telles que celles causées par les ulcères diabétiques. La recherche a montré que les pansements en coton comme le verre peuvent cicatriser les plaies, telles que les ulcères du pied diabétique, qui n'ont pas répondu aux autres traitements (Int. Wound J. 19 791).

Mais Jones dit que l'utilisation la plus courante du verre bioactif est dans certains dentifrices sensibles, où il provoque la minéralisation naturelle des dents. "Vous avez des dents sensibles parce que vous avez des tubules qui pénètrent dans votre cavité nerveuse au centre de la dent, donc si vous minéralisez ces tubules, il n'y a aucun moyen d'entrer dans la cavité pulpaire", explique-t-il.

À l'University College de Londres, des chercheurs ont gravé des structures à l'échelle nanométrique sur la surface du verre pour lui donner de multiples fonctions différentes. Des techniques similaires ont été essayées dans le passé, mais il s'est avéré difficile et compliqué de structurer la surface du verre avec suffisamment de détails. Cependant, le nano-ingénieur Ioannis Papakonstantinou et ses collègues ont récemment développé un nouveau procédé de lithographie qui leur permet de détailler le verre avec une précision nanométrique (Adv. Mater.332102175).

Inspirés par les papillons de nuit qui utilisent des structures similaires pour le camouflage optique et acoustique, les chercheurs ont gravé une surface de verre avec un réseau de cônes nanométriques de sous-longueur d'onde pour réduire sa réflectivité. Ils ont constaté que cette surface structurée réfléchissait moins de 3 % de la lumière, alors qu'un verre témoin en réfléchissait environ 7 %. Papakonstantinou explique que les nanocônes aident à combler les changements entre l'indice de réfraction de la surface du verre et celui de l'air, en lissant la transition air-verre généralement abrupte. Cela réduit la diffusion et donc la quantité de lumière réfléchie par la surface.

La surface est également superhydrophobe, repoussant les gouttelettes d'eau et d'huiles afin qu'elles rebondissent sur les coussins d'air emprisonnés dans les nanostructures. Au fur et à mesure que les gouttelettes roulent, elles ramassent les contaminants et la saleté, ce qui rend le verre autonettoyant, comme l'explique Papakonstantinou. Et comme dernier avantage, les bactéries luttent pour survivre sur le verre, les cônes pointus perçant leurs membranes cellulaires. En se concentrant sur Staphylococcus aureus - la bactérie responsable des infections à staphylocoques - la microscopie électronique à balayage a montré que 80% des bactéries qui se déposent à la surface meurent, contre environ 10% sur du verre standard. Selon les chercheurs, il s'agit de la première démonstration d'une surface en verre antibactérienne.

La lumière est généralement contrôlée dans les systèmes optiques par des pièces mobiles, comme une lentille qui peut être manipulée pour changer le point focal de la lumière ou orienter un faisceau. Mais une nouvelle classe de matériaux à changement de phase (PCM) pourrait modifier les propriétés des composants optiques sans aucune intervention mécanique.

Un PCM peut passer d'une structure cristalline organisée à une structure amorphe et semblable à du verre lorsqu'une certaine forme d'énergie, telle qu'un courant électrique, est appliquée. De tels matériaux sont utilisés depuis longtemps pour stocker des données sur des disques optiques, les deux phases représentant les deux états binaires. Mais ces matériaux n'ont pas vraiment été utilisés en optique au-delà de telles applications, car l'une des phases est normalement opaque.

Récemment, cependant, des chercheurs américains ont créé une nouvelle classe de PCM basée sur les éléments germanium, antimoine, sélénium et tellure, connue sous le nom de GSST (Nature Commsdix 4279). Ils ont découvert que même si les états vitreux et cristallin de ces matériaux sont transparents à la lumière infrarouge, ils ont des indices de réfraction très différents. Cela peut être exploité pour créer des optiques reconfigurables capables de contrôler la lumière infrarouge.

Juejun Hu, spécialiste des matériaux au Massachusetts Institute of Technology, explique qu'au lieu d'avoir un appareil optique avec une seule application, vous pouvez le programmer pour qu'il ait plusieurs fonctions différentes. "Vous pourriez même passer d'une lentille à un réseau de diffraction ou à un prisme", explique-t-il.

Les propriétés des PCM sont mieux utilisées, dit Hu, en créant des métamatériaux optiques, dans lesquels des structures nanométriques de sous-longueur d'onde sont façonnées à la surface et chacune est réglée pour interagir avec la lumière d'une manière spécifique pour créer un effet souhaité, comme la focalisation d'un faisceau de lumière. Lorsqu'un courant électrique est appliqué au matériau, la façon dont les nanostructures de surface interagissent avec la lumière change lorsque l'état et l'indice de réfraction du matériau changent.

L'équipe a déjà démontré qu'elle peut créer des éléments tels que des zooms et des obturateurs optiques capables d'éteindre rapidement un faisceau de lumière. Kathleen Richardson, experte en matériaux optiques et photonique à l'Université de Floride centrale, qui a travaillé avec Hu sur les matériaux GSST, affirme que ces matériaux pourraient simplifier et réduire la taille des capteurs et autres dispositifs optiques. Ils permettraient de combiner plusieurs mécanismes optiques, de réduire le nombre de pièces individuelles et de supprimer le besoin de divers éléments mécaniques. "De multiples fonctions dans le même composant rendent la plate-forme plus petite, plus compacte et plus légère", explique Richardson.

"Vous pouvez contourner les lois de la physique, mais vous ne pouvez pas les enfreindre", déclare Paul Bingham, spécialiste du verre et de la céramique à l'Université Sheffield Hallam, au Royaume-Uni. "Fondamentalement, le verre est un matériau fragile et si vous appliquez suffisamment de force sur une partie suffisamment petite du verre, il va se casser." Pourtant, il existe plusieurs façons d'améliorer leurs performances.

Pensez aux téléphones portables. La plupart des écrans de smartphone sont fabriqués à partir de verre trempé chimiquement, le plus courant étant le Gorilla Glass. Développé par Corning dans les années 2000, ce verre solide, résistant aux rayures mais fin se retrouve désormais dans environ cinq milliards de smartphones, tablettes et autres appareils électroniques. Mais le verre renforcé chimiquement n'est pas complètement incassable. En fait, l'écran du téléphone de Bingham est cassé. "Je l'ai laissé tomber une fois, puis je l'ai laissé tomber à nouveau et il a atterri exactement au même point et la partie était terminée", dit-il.

Pour améliorer encore la durabilité des écrans en verre, Bingham a travaillé sur un projet intitulé "Manufacturing Immortality" avec des scientifiques des polymères de l'Université de Northumbria, dirigés par le chimiste Justin Perry, qui ont développé des polymères auto-cicatrisants. Si vous coupez ces polymères auto-cicatrisants en deux et que vous poussez ensuite les morceaux ensemble, ils se recolleront avec le temps. Les chercheurs ont expérimenté l'application de revêtements de ces matériaux sur le verre.

Si vous appliquez suffisamment de force, ces écrans vont toujours se casser, mais si vous en laissez tomber un et que vous craquez la couche de polymère, il pourrait s'auto-réparer. Cela se produira dans des conditions ambiantes à température ambiante, bien que les chauffer un peu, en les laissant dans un endroit chaud par exemple, puisse accélérer le processus. "Il s'agit d'améliorer la durée de vie des produits, de les rendre plus durables et de les rendre plus résistants", déclare Bingham. Et cela pourrait être utile pour de nombreux produits qui utilisent le verre comme couche protectrice, pas seulement pour les smartphones.