Les matériaux intelligents

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L'œil de l’expert

Un matériau intelligent, c'est quoi ?

Un matériau dit « intelligent » (pigment, encre, peinture, revêtement...) est capable de changer spontanément ses propriétés physiques (notamment sa structure, sa viscosité, son spectre d'absorption et/ou d'émission..) en réponse à des excitations naturelles ou provoquées. Celles-ci peuvent venir de l’extérieur ou de l’intérieur du matériau : variations de température, de contraintes mécaniques, de champs électriques ou magnétiques.

Cette matière « caméléon » s’oppose aux matériaux classiques, inerte par définition, dont les propriétés restent toujours les mêmes quelles que soient les sollicitations auxquelles l'objet est soumis.

Les premières civilisations se sont construites grâce aux matériaux naturels accessibles : le bois, la pierre, le cuir, l’os, la corne, le lin ou le chanvre... Nous avons ensuite connu l’émergence des matières plastiques, verres, métaux... Aujourd'hui, nous entrons dans l'ère des matériaux multifonctionnels. Une matière intelligente capable de s’adapter à son environnement.

Un "smart material" est donc en capacité d’adapter sa réponse, de signaler une modification apparue dans l’environnement et dans certains cas, de provoquer une action de correction. Il peut se comporter comme un capteur (détecter des signaux), un actionneur (effectuer une action) ou parfois comme un processeur (traiter, comparer, stocker des informations).

Les domaines d'applications pour cette technologie de rupture sont quasi sans limite...

Les matériaux X-chromes

L’une des générations de produits intelligents particulièrement importante est la famille des X-chromes. Ces technologies X-Chromes ont la capacité de changer de caractéristiques physiques, et notamment de couleurs, sous l’effet d’une excitation extérieure (température, lumière, pression, taux d’humidité, etc.).

Ainsi selon la nature de la sollicitation, on parle de matériau thermochromique (changement de couleurs avec la température), de composé photochromique (variation de couleurs avec une source lumineuse), de dérivé fluorescent et/ou phosphorescent (émission lumineuse), de matériau piézochromique (modification de couleurs avec la pression), de matériau chimiochromique (variation de couleurs avec le pH, la présence d'un gaz).

Une telle génération de produits intelligents bouleverse complètement nos repères. Notre monde environnant est aujourd’hui constitué de technologies à couleur unique. Avec la chimie des X-Chromes, c’est une véritable intelligence des couleurs qui s’offre à nous.

La couleur de ces matériaux intelligents devient "adaptative/interactive" avec des propriétés réversible, irréversible ou à effet mémoire.

Avec une matière intelligente à changement de couleurs et/ou d'émission de luminescence, il est ainsi possible de détecter visuellement des faiblesses de structure dans le revêtement d’un avion, un dépassement d’un seuil de température pour signaler le risque de brûlure, la formation de corrosion…

Quelques exemples de matériaux intelligents

La liste des produits intelligents ne cesse de s’allonger, tout comme les domaines d'applications dans l’industrie, la construction, l’habitat, le médical, la biologie ou les loisirs. C’est une vraie révolution à l’échelle des matériaux, des composites, des textiles, des polymères... qui va changer rapidement notre quotidien avec une multitude d'applications.

Dans le domaine de la santé, certains composites sont, par exemple, sensibles au glucose pour une libération contrôlée de l’insuline, ou aux champs électriques ou magnétiques pour la libération de médicaments. La variation de couleurs d'un indicateur apposé sur un packaging est en capacité d'alerter en cas de rupture de la chaîne du froid, du dépassement de température pour la conservation d'un vaccin...

Dans le secteur du bâtiment, de la construction et de l’amélioration énergétique, certains polymères permettent de rendre le vitrage d’une fenêtre intelligente. Le verre est en capacité d’être opaque ou transparent en quelques secondes pour une meilleure gestion de la lumière dans un bâtiment. Cette propriété de verre photochromique, de verre polarisé est également implémentée dans les lunettes pour améliorer le confort visuel.

Avec les textiles et composites intelligents, les vêtements tendent de plus en plus à devenir actifs, et prennent soin de nous. Dans le domaine de la santé, des capteurs incorporés aux textiles enregistrent nos rythmes cardiaque et respiratoire, des LED intégrés dans une couverture soignent la jaunisse des nouveau-nés, des pastilles thermosensibles changent de couleurs en fonction de la température ou de l’exposition aux UV et nous évitent le coup de chaleur…

Les matériaux intelligents, une innovation de rupture

Au travers de ces quelques exemples, c’est tout un champ d’application qui s’offre à nous. Mais tout n’est pas aussi simple. Il convient de garder en mémoire qu’il s’agit d’un nouvel champ de recherche scientifique en plein essor, qui constitue une véritable technologie de rupture.

Si l’on considère par exemple l’univers des couleurs, la manipulation d’un pigment X-chrome demande de respecter certaines contraintes physiques.

Fiabiliser une production impose d’appréhender les mécanismes complexes mises en jeu au sein de ces pigments, sous peine de ne rien maîtriser. Nous sommes loin des enjeux classiques de formulation d’une charge pigmentaire dans une peinture et/ou une encre.

Il s’agit plus de thermodynamique des phénomènes de transition de phase, de cascade photochimique, d'ingénierie moléculaire...

Des matières, des polymères, des plastiques qui changent de couleur

La chimie des "smart materials" impose de manipuler de nouveaux outils de recherche et de caractérisations. Par exemple, à l'issue d'une fabrication la réponse optique d‘un matériau en industrie est souvent contrôlée par colorimétrie, mais qu’en est-il d’un revêtement qui change en fonction d'une sollicitation extérieure ?

L’implémentation de cette technologie de rupture dans le monde industriel n’est pas aussi simple. Elle nécessite d'adapter les chaînes de production, de former les équipes...

Une composition sensible aux sollicitations extérieures

Une autre difficulté majeure est la sensibilité de l'objet intelligent à son environnement. Chaque changement de matières premières, de milieu réactionnel, de forces de cisaillement au cours de la fabrication, de traitements thermiques va entraîner une instabilité de la production.

L’enjeu est de maîtriser l’interactivité de ces composés jusqu’au produit fini. Cela impose de contrôler tout au long de la chaîne de production le maintien de la propriété "intelligente" recherchée : seuil de déclenchement, vitesse, réversibilité/irréversibilité, effet mémoire,...

Mais rien n’est insurmontable. Ces difficultés sont autant de barrières à l’entrée pour un concurrent qui souhaiterait copier votre application. En intégrant un produit caméléon, c’est accéder à l’interactivité, c’est un moyen "de relooker" un article, de le "rajeunir".

Les matériaux SmartKrom® d'OliKrom

Au sein d'OliKrom, notre département recherche et développement a créé une nouvelle génération de matériaux intelligents autonomes pour contrôler et adapter sur-mesure la propriété intelligente au cahier des charges de nos partenaires industriels.

Issues de la recherche fondamentale, nos technologies SmartKrom® permettent la création, la pérennisation et la sécurisation des revêtements de demain.

Au sein d'OliKrom, nous plaçons l'innovation au coeur de notre stratégie. Au quotidien, nos équipes élaborent de nouveaux matériaux intelligents sous forme de pigments, encres, peintures, plastiques pour répondre à des enjeux industriels, sociétaux, réglementaires, économiques, environnementaux.

Pour implémenter cette nouvelle chimie, nos équipes vous accompagnent tout au long des différentes phases de developpement de votre projet. Nous disposons de l'ensemble des outils de fabrication et de caractérisations pour assurer la production récurrente et fiabilisée de ces pigments, encres et peintures à l'échelle industrielle.

Vous avez une problématique industrielle ? Nos équipes sont à votre disposition pour étudier votre projet.

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