Prix Urgel-Archambault - Et si les fenêtres devenaient des panneaux solaires?
«Aujourd'hui, on parle même d'électronique plastique»
Un circuit électronique entièrement fabriqué avec du plastique? À première vue, la chose semble impossible, même contradictoire, mais elle est bel et bien vraie. C'est d'ailleurs pour ses travaux portant sur les polymères électroactifs et photoactifs que Mario Leclerc reçoit cette année le prix Urgel-Archambault de l'Acfas.
La chimie est entrée tôt dans la vie de Mario Leclerc. «J'ai eu le coup de foudre dès mes premiers cours de chimie au secondaire», explique celui qui est aujourd'hui titulaire de la Chaire du Canada en chimie des polymères et professeur à l'Université Laval. Cet intérêt pour la chimie guide donc son choix de carrière. Il obtient un doctorat en chimie de l'Université Laval et fait des études postdoctorales au Max-Planck Institute for Polymer Research en Allemagne.
«Au départ, je me suis intéressé à la chimie macromoléculaire, donc aux polymères, pour ensuite me concentrer en chimie des plastiques. Au début des années 80, il s'est passé une petite révolution dans le domaine de la chimie des plastiques. En général, on croyait que les plastiques ne conduisaient pas l'électricité; d'ailleurs, on les utilisait souvent comme isolant. Mais il est alors apparu de nouveaux polymères qui étaient conducteurs et j'ai aussitôt décidé d'en faire mon champ de recherche. Aujourd'hui, on parle même d'électronique plastique.»
Un polymère est une substance composée de macromolécules généralement constituées par la répétition de groupes d'atomes. Il existe plusieurs types de polymères: naturel, comme l'ADN, organique, c'est-à-dire à base de carbone, ou inorganique, où l'on ne trouve pas de carbone. Il y aussi le polymère synthétique que l'on conçoit en laboratoire. L'exemple le plus souvent donné d'un polymère est le polystyrène.
Les travaux de Mario Leclerc portent sur des polymères synthétiques qui ont des propriétés électriques et optiques, à la manière des semi-conducteurs inorganiques, tel le silicium. «La structure électronique de ces polymères rappelle celle des métaux, d'où la conductivité.» Mais ces polymères conservent aussi les propriétés qu'on associe généralement aux polymères: ils sont légers, flexibles et peuvent être moulés. «C'est comme s'ils avaient un côté nature et un côté givré.»
Autre avantage incontestable: ces polymères, qui se présentent sous forme de poudre, sont solubles. «On peut donc prendre ces polymères et en faire des encres. Ainsi, il devient possible d'imprimer, littéralement, comme chez l'imprimeur, un circuit électronique.»
Ces nouveaux polymères sont étudiés dans de nombreux champs de recherche pour de multiples applications. L'équipe de chercheurs dirigée par Mario Leclerc se penche sur cinq d'entre eux: les cellules photovoltaïques, la thermoélectricité, l'électrochromisme, les transistors organiques à effet de champ et les biocapteurs.
«Ces polymères pourraient remplacer le silicium dans la fabrication de cellules photovoltaïques, comme les panneaux solaires. Cela réduirait de beaucoup le coût de fabrication. Mais ces polymères sont moins efficaces pour le moment que le silicium et leur durée est plus courte. Ils ne conviennent donc pas aux applications à grande échelle.»
Avec la thermoélectricité et l'électrochromisme, on change complètement de domaine. «En thermoélectricité, les polymères pourraient transformer la chaleur en électricité, par exemple, la chaleur perdue par le frigo. Avec l'électochromisme, on pourrait donner à des polymères textiles une gamme variable de couleur. Ces textiles, qu'on appelle caméléons, intéressent les forces militaires qui s'en serviraient comme camouflage.»
Applications possibles
Les transistors organiques à effet de champ sont des circuits électroniques capables de lire une fréquence radio. «On pourrait imprimer directement le circuit sur l'emballage des articles de consommation courante et il viendrait ainsi remplacer le code barre actuel. À la caisse, on remplacerait le lecteur optique par un émetteur radio capable de reconnaître quelle fréquence est reconnue par l'article en question.»
Avec les biocapteurs, on entre dans le domaine médical. «Ce polymère agit comme un révélateur de la présence d'un virus ou d'une bactérie en changeant de couleur s'il détecte une séquence ADN du virus ou de la bactérie parfaitement complémentaire dans l'échantillon qu'on lui présente.»
Selon Mario Leclerc, c'est présentement le secteur de l'énergie qui apparaît être le plus prometteur dans l'utilisation des polymères électroactifs et photoactifs. «On investit beaucoup, en particulier aux États-Unis, dans la recherche de sources d'énergie capables de remplacer l'énergie fossile. Le solaire est une de ces sources. Les cellules photovoltaïques à base de polymères synthétiques représentent une solution pour plusieurs applications, par exemple, pour recharger un téléphone cellulaire. On peut facilement envisager une cellule photovoltaïque imprimée sur une feuille de plastique, par exemple de la taille d'une feuille de 8 1/2 sur 11, que l'on déroulerait et qu'on appliquerait ensuite sur une fenêtre. Elle servirait alors de source d'énergie pour recharger le cellulaire. Cette solution serait idéale pour les pays en voie de développement, comme les pays africains, où le nombre d'utilisateurs de téléphones cellulaires dépasse largement le nombre de personnes qui ont accès à l'alimentation électrique dans leur domicile. Aujourd'hui, pour ces personnes, la recharge d'un cellulaire est un sérieux problème. La cellule photovoltaïque pourrait aussi servir à alimenter une pile destinée à fournir de l'éclairage intérieur.»
Quant aux biocapteurs, même s'ils laissent entrevoir de belles perspectives, la barre est résolument plus haute. «En médecine, il ne peut pas y avoir d'erreur. Ou ça fonctionne à 100 %, ou sinon aussi bien dire que ça ne fonctionne pas. Les exigences à satisfaire sont donc très élevées, sans compter tout le processus d'homologation auquel il faudra se soumettre avant de voir un biocapteur utilisé pour établir un diagnostic.»
***
Collaborateur du Devoir
La chimie est entrée tôt dans la vie de Mario Leclerc. «J'ai eu le coup de foudre dès mes premiers cours de chimie au secondaire», explique celui qui est aujourd'hui titulaire de la Chaire du Canada en chimie des polymères et professeur à l'Université Laval. Cet intérêt pour la chimie guide donc son choix de carrière. Il obtient un doctorat en chimie de l'Université Laval et fait des études postdoctorales au Max-Planck Institute for Polymer Research en Allemagne.
«Au départ, je me suis intéressé à la chimie macromoléculaire, donc aux polymères, pour ensuite me concentrer en chimie des plastiques. Au début des années 80, il s'est passé une petite révolution dans le domaine de la chimie des plastiques. En général, on croyait que les plastiques ne conduisaient pas l'électricité; d'ailleurs, on les utilisait souvent comme isolant. Mais il est alors apparu de nouveaux polymères qui étaient conducteurs et j'ai aussitôt décidé d'en faire mon champ de recherche. Aujourd'hui, on parle même d'électronique plastique.»
Un polymère est une substance composée de macromolécules généralement constituées par la répétition de groupes d'atomes. Il existe plusieurs types de polymères: naturel, comme l'ADN, organique, c'est-à-dire à base de carbone, ou inorganique, où l'on ne trouve pas de carbone. Il y aussi le polymère synthétique que l'on conçoit en laboratoire. L'exemple le plus souvent donné d'un polymère est le polystyrène.
Les travaux de Mario Leclerc portent sur des polymères synthétiques qui ont des propriétés électriques et optiques, à la manière des semi-conducteurs inorganiques, tel le silicium. «La structure électronique de ces polymères rappelle celle des métaux, d'où la conductivité.» Mais ces polymères conservent aussi les propriétés qu'on associe généralement aux polymères: ils sont légers, flexibles et peuvent être moulés. «C'est comme s'ils avaient un côté nature et un côté givré.»
Autre avantage incontestable: ces polymères, qui se présentent sous forme de poudre, sont solubles. «On peut donc prendre ces polymères et en faire des encres. Ainsi, il devient possible d'imprimer, littéralement, comme chez l'imprimeur, un circuit électronique.»
Ces nouveaux polymères sont étudiés dans de nombreux champs de recherche pour de multiples applications. L'équipe de chercheurs dirigée par Mario Leclerc se penche sur cinq d'entre eux: les cellules photovoltaïques, la thermoélectricité, l'électrochromisme, les transistors organiques à effet de champ et les biocapteurs.
«Ces polymères pourraient remplacer le silicium dans la fabrication de cellules photovoltaïques, comme les panneaux solaires. Cela réduirait de beaucoup le coût de fabrication. Mais ces polymères sont moins efficaces pour le moment que le silicium et leur durée est plus courte. Ils ne conviennent donc pas aux applications à grande échelle.»
Avec la thermoélectricité et l'électrochromisme, on change complètement de domaine. «En thermoélectricité, les polymères pourraient transformer la chaleur en électricité, par exemple, la chaleur perdue par le frigo. Avec l'électochromisme, on pourrait donner à des polymères textiles une gamme variable de couleur. Ces textiles, qu'on appelle caméléons, intéressent les forces militaires qui s'en serviraient comme camouflage.»
Applications possibles
Les transistors organiques à effet de champ sont des circuits électroniques capables de lire une fréquence radio. «On pourrait imprimer directement le circuit sur l'emballage des articles de consommation courante et il viendrait ainsi remplacer le code barre actuel. À la caisse, on remplacerait le lecteur optique par un émetteur radio capable de reconnaître quelle fréquence est reconnue par l'article en question.»
Avec les biocapteurs, on entre dans le domaine médical. «Ce polymère agit comme un révélateur de la présence d'un virus ou d'une bactérie en changeant de couleur s'il détecte une séquence ADN du virus ou de la bactérie parfaitement complémentaire dans l'échantillon qu'on lui présente.»
Selon Mario Leclerc, c'est présentement le secteur de l'énergie qui apparaît être le plus prometteur dans l'utilisation des polymères électroactifs et photoactifs. «On investit beaucoup, en particulier aux États-Unis, dans la recherche de sources d'énergie capables de remplacer l'énergie fossile. Le solaire est une de ces sources. Les cellules photovoltaïques à base de polymères synthétiques représentent une solution pour plusieurs applications, par exemple, pour recharger un téléphone cellulaire. On peut facilement envisager une cellule photovoltaïque imprimée sur une feuille de plastique, par exemple de la taille d'une feuille de 8 1/2 sur 11, que l'on déroulerait et qu'on appliquerait ensuite sur une fenêtre. Elle servirait alors de source d'énergie pour recharger le cellulaire. Cette solution serait idéale pour les pays en voie de développement, comme les pays africains, où le nombre d'utilisateurs de téléphones cellulaires dépasse largement le nombre de personnes qui ont accès à l'alimentation électrique dans leur domicile. Aujourd'hui, pour ces personnes, la recharge d'un cellulaire est un sérieux problème. La cellule photovoltaïque pourrait aussi servir à alimenter une pile destinée à fournir de l'éclairage intérieur.»
Quant aux biocapteurs, même s'ils laissent entrevoir de belles perspectives, la barre est résolument plus haute. «En médecine, il ne peut pas y avoir d'erreur. Ou ça fonctionne à 100 %, ou sinon aussi bien dire que ça ne fonctionne pas. Les exigences à satisfaire sont donc très élevées, sans compter tout le processus d'homologation auquel il faudra se soumettre avant de voir un biocapteur utilisé pour établir un diagnostic.»
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Collaborateur du Devoir
