Une course vers le bas se déroule depuis de nombreuses années pour l'électronique :certains composants ne sont plus gros que de quelques dizaines d'atomes. La même tendance a maintenant commencé pour les commutateurs intelligents.
Le terme "commutateurs intelligents" ne vous dit peut-être pas immédiatement quelque chose. Sont-ils les derniers gadgets du marché ? Un produit mode qui finira à la ferraille au bout de quelques mois ? Il y a peu de chance que les interrupteurs intelligents finissent bientôt à la poubelle là où votre palmtop et vos lunettes Google ont déjà trouvé une fin prématurée. Vous ne vous en rendez peut-être pas compte, mais ils sont déjà parmi nous.
À l'heure actuelle, les commutateurs intelligents vous permettent de lire confortablement. De cette façon, le thermostat se rend compte qu'il est devenu juste un peu trop froid. Tel un maître de forage accompli, il n'hésite pas et monte le chauffage pour essayer un peu mieux. De plus, le système de ventilation a également remarqué qu'il fait très froid dehors. Sans votre intervention, l'arrivée d'air extérieur glacial est donc coupée. Même le temps maussade ne devrait pas être une raison pour arrêter de lire ici. Qui sait, après tout, vous lisez peut-être ceci sur votre dernier smartphone, qui adapte sans faute la luminosité de votre écran à la lumière ambiante. Vous remarquerez :les interrupteurs intelligents sont partout.
Le principe de base est relativement simple. Tout commence par le capteur. Il est réglé sur un stimulus spécifique, comme la température ou la lumière, et donne un signal lorsqu'une valeur seuil est atteinte. Ce signal est ensuite transmis via un système de régulation à une unité d'exécution, l'actionneur. Dans le cas de votre thermostat, le capteur peut être une résistance dépendante de la température. L'actionneur est une vanne qui régule l'alimentation en gaz de votre chaudière de chauffage, ou une pompe qui alimente en fioul.
Les commutateurs intelligents sont un élément crucial de nombreux points forts technologiques, mais il existe également un goulot d'étranglement majeur. Alors que la taille des capteurs et des actionneurs a peu évolué ces dernières années, les composants électroniques continuent de devenir de plus en plus petits. Le physicien américain et lauréat du prix Nobel Richard Feynman le savait déjà en 1959 :il y a plus qu'assez d'espace au fond. Avec suffisamment de petits outils, nous avons un contrôle sans précédent pour construire des matériaux ou effectuer des actions médicales.
En électronique, cette tendance est décrite par la loi de Moore, qui stipule que la taille d'un transistor diminue de moitié tous les deux ans. Les transistors plus petits sont l'une des principales raisons de la puissance de calcul toujours croissante. Une évolution similaire se produit dans le domaine des systèmes micro-électromécaniques, où des dispositifs d'un centième de largeur de cheveu peuvent effectuer un mouvement préprogrammé. Et il y a à peine deux ans, le professeur Feringa de l'université de Groningue, avec un collègue écossais et français, a reçu le prix Nobel de chimie pour la conception de moteurs moléculaires mille fois plus petits.
Une miniaturisation des interrupteurs intelligents était donc inévitable. Le principe fondamental ici est que les fonctions de capteur et d'actionneur sont réunies dans un seul matériau. Après tout, cela permet un grand gain de place. Cela peut concerner des matériaux qui absorbent des gaz ou des liquides dès qu'une certaine pression est atteinte, ou qui changent de forme dès qu'une lumière de la bonne longueur d'onde l'atteint.
Une classe de matériaux prometteuse est celle des charpentes organométalliques (charpentes organométalliques ou MOF). Ces matériaux contiennent à la fois des métaux et des composants organiques. De plus, lorsque vous zoomez suffisamment, les MOF ressemblent un peu à des éponges :à l'échelle moléculaire, ils sont criblés de très petits pores. Ce sont précisément ces pores qui donnent au matériau une forte réponse à toutes sortes de stimuli.
Le prototype d'un MOF de commutation est MIL-53. Lorsqu'une pression suffisante est appliquée, les pores du MIL-53 s'effondrent, entraînant un changement soudain de volume. Une réaction similaire se produit lorsque des gaz sont incorporés dans la grille. Enfin, il existe également une dépendance à la température :à partir d'une certaine valeur seuil les pores s'ouvrent ou se ferment. Cette transition entre un grand et un petit volume rappelle l'expansion ou la contraction des poumons lorsque nous respirons. C'est pourquoi le MIL-53 est également appelé MOF respirant.
Cependant, pour utiliser un matériau poreux tel que le MIL-53 comme interrupteur intelligent, il manque encore un ingrédient crucial :la réponse aux stimuli doit être ajustable. C'était donc l'objectif d'une équipe de scientifiques du Centre de modélisation moléculaire (Université de Gand) et de l'Université de Vienne, dont je faisais moi-même partie. À l'aide de simulations informatiques avancées, nous avons montré que nous pouvions contrôler le comportement thermique du MIL-53 en choisissant intelligemment les éléments constitutifs du matériau.
Une première étape consiste à mieux comprendre la respiration du MIL-53. Pourquoi les pores s'ouvrent-ils lorsque vous vous réchauffez et se referment lorsque vous vous refroidissez ? Nous avons trouvé la réponse en zoomant au niveau des atomes individuels. Les parois des pores du MIL-53 s'attirent naturellement, mais cela est empêché car les atomes des parois des pores veulent également avoir une certaine liberté de mouvement. Plus il fait chaud, plus les atomes vibrent fort et plus la liberté de mouvement devient importante. Par conséquent, les pores ne peuvent se fermer que lorsqu'il fait suffisamment froid. La température à laquelle se produit la commutation entre les pores ouverts et fermés dépend donc de la force avec laquelle les parois des pores s'attirent et de la liberté de mouvement des atomes.
Avec cette idée, nous nous sommes mis au travail en proposant des ajustements mineurs à MIL-53. Lorsque les parois des pores ne s'attirent pas, les pores ne se ferment plus. Inversement, vous pouvez rendre l'attraction si forte que les pores ne s'ouvriront jamais à une température de transition utile. Sentir cet équilibre subtil est donc crucial pour pouvoir utiliser des MOF respirants comme thermostats. Une approche similaire est possible pour mesurer la pression ou la présence de gaz.
Les commutateurs intelligents sont partout et semblent maintenant devenir plus petits que jamais. Il y a peu de chance que de minuscules éponges respirantes aident bientôt à dissiper le froid hivernal de votre maison. Ils sont particulièrement intéressants pour les applications électroniques ou médicales spécialisées. Mais c'est un fait que les commutateurs intelligents sont de retour. Reste maintenant à trouver un moyen de rallumer ce satané été.
Photo de départ :Nuno Alberto sur Unsplash. Icônes par Smartline, Freepik, srip, DinosoftLabs sur www.flaticon.com sous une licence Creative Commons BY 3.0. Photo des thermostats MIL-53 par Wim Dewitte.
Un article technique détaillé a été publié dans Nature Communications, décrivant cette recherche par Jelle Wieme, Kurt Lejaeghere et Veronique Van Speybroeck (Centre de modélisation moléculaire, Université de Gand) et Georg Kresse (Université de Vienne)
