Un barreau de caoutchouc souple équipé de trois ampoules a montré comment un gel activé par la lumière peut passer d'isolant à conducteur. La lumière dirigée sur les deux premières stations du barreau les a rendues conductrices, et leurs ampoules se sont allumées. La troisième station, restée dans l'ombre, est demeurée non conductrice, et son ampoule est restée éteinte.
Cette démonstration est l'œuvre d'ingénieurs du MIT et de leurs collaborateurs, qui indiquent que le matériau devient 400 fois plus conducteur sous l'effet de la lumière. Les travaux ont été publiés en 2026 dans Nature Communications, en accès libre, sous le titre « Soft photo-ionotronics ».
Des ions plutôt que des électrons
Ce matériau relève de l'ionotronique, un domaine qui transporte l'information grâce à des ions, c'est-à-dire des molécules chargées, plutôt qu'avec des électrons. L'électronique fondée sur les électrons est bien établie. L'ionotronique, elle, est encore en développement, à une grande exception près : les systèmes vivants. Les cellules du corps communiquent au moyen d'ions, du potassium au sodium.
Ce point commun explique l'intérêt des concepteurs de dispositifs pour ce domaine. Les tissus vivants sont généralement mous et souples, alors que l'électronique conventionnelle est dure et rigide. L'ionotronique peut servir de pont entre les deux. Parmi les applications citées par l'équipe figurent les technologies portables souples et les interfaces homme-machine, ainsi que les dispositifs biocompatibles et la robotique souple.
D'autres équipes ont déjà mis au point des matériaux ionotroniques très conducteurs, dans lesquels les ions se déplacent rapidement. Ces conductivités ne peuvent toutefois plus être modifiées une fois le matériau fabriqué. L'approche du MIT ajoute un moyen de contrôle : la lumière décide où et quand le matériau conduit.
« Nous avons trouvé un mécanisme pour contrôler dynamiquement la population locale d'ions dans un matériau souple », explique Thomas J. Wallin, professeur titulaire de la chaire John F. Elliott Career Development au département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT, qui a dirigé ces travaux. Selon lui, cela pourrait permettre de concevoir un système capable de s'adapter seul aux stimuli de son environnement, ici la lumière. Le système pourrait évoluer automatiquement en fonction des variations lumineuses, ce qui ouvrirait la voie à un traitement du signal complexe dans des matériaux souples.
Comment le gel est fabriqué
L'ingrédient clé est une classe de matériaux appelés photogénérateurs d'ions, ou PIG (photo-ion generators). Seuls, les PIG peuvent devenir environ 1 000 fois plus conducteurs sous l'effet de la lumière. L'équipe devait trouver un moyen de les intégrer dans une matrice souple et étirable.
Les chercheurs ont choisi le caoutchouc polyuréthane. Ils ont d'abord dissous une poudre de PIG dans un solvant, puis ont utilisé une méthode de gonflement pour faire pénétrer le PIG dissous dans le caoutchouc. L'équipe a optimisé ce procédé, d'après la description des travaux dans l'article.
« Ce que nous faisons, c'est utiliser la lumière pour faire passer un matériau souple d'un état isolant à un état 400 fois plus conducteur », déclare Xu Liu, première autrice de l'article. Xu Liu est une ancienne postdoctorante du MIT en science et ingénierie des matériaux et deviendra prochainement maîtresse de conférences (assistant professor) au King's College de Londres.
Le circuit de la démonstration illustre concrètement ce basculement. Une électrode en cuivre est fixée à l'extrémité gauche d'un barreau rectangulaire de gel. Un stylet et un réseau métallique associé relient l'électrode à trois stations réparties sur le barreau. Chaque station éclairée est devenue conductrice et a alimenté son ampoule. La station restée dans l'ombre, non.
Les autres auteurs sont Steven M. Adelmund, Shahriar Safaee et Wenyang Pan, tous rattachés à Reality Labs chez Meta.
Limites et prochaines étapes
Dans le matériau présenté jusqu'ici, le changement de conductivité est irréversible. Une fois qu'une zone a été activée par la lumière, elle le reste. Xu Liu est convaincue que les versions futures pourront passer d'un état isolant à un état conducteur, et inversement.
Le matériau actuel n'utilise qu'un seul type de PIG, un seul polymère et un seul solvant. Il en existe de nombreux autres pour chacun des trois, ce qui, selon Xu Liu, laisse un grand potentiel pour concevoir de meilleurs matériaux souples sensibles à la lumière.
L'équipe souhaite aussi changer le déclencheur. Xu Liu indique que le groupe est tenté de remplacer la lumière par d'autres stimuli environnementaux, comme la chaleur ou le magnétisme. Elle évoque le potentiel d'un sous-domaine qu'elle nomme la photo-ionotronique souple, et affirme que l'équipe est enthousiaste à l'idée de nouvelles machines souples pour les wearables, les interfaces homme-machine, la robotique et la biomédecine.
Ce que cela change pour la robotique souple
La caractéristique la plus utile ici est le contrôle spatial. On peut diriger la lumière sur une zone du barreau sans toucher à la zone voisine, comme le montre le circuit à trois stations. Pour les robots souples, qui n'ont généralement ni cartes rigides ni câblage comme les robots classiques, un matériau structurel pouvant être « dessiné » par la lumière offre une piste pour acheminer les signaux à travers la structure elle-même.
La comparaison avec les travaux ionotroniques antérieurs ressort clairement des faits. Les matériaux existants offrent déjà une circulation rapide des ions, mais leur conductivité est figée. Ce gel renonce à cet état fixe au profit d'un état commutable. Le gain de 400 dans le caoutchouc est inférieur au gain d'environ 1 000 observé avec les PIG seuls. Cet écart laisse penser qu'une partie du contraste de conductivité se perd lorsque le PIG est intégré au polyuréthane, même si l'article n'en donne pas la raison.
Plusieurs points restent à démontrer. L'irréversibilité constitue la principale limite. Un interrupteur à sens unique convient à un circuit configuré une seule fois, par exemple pour « écrire » un chemin conducteur dans un barreau. Il ne convient pas à un capteur ou à un élément logique qui doit changer d'état de façon répétée. Xu Liu estime la réversibilité possible, mais elle n'a pas été démontrée avec ce matériau.
Les travaux ne précisent pas non plus la rapidité de réponse du matériau ni la durée de l'état conducteur. Ils ne donnent aucun chiffre sur l'étirabilité ou sur les performances dans un corps de robot en déformation. La biocompatibilité est présentée comme un objectif général de l'ionotronique, et non comme un résultat obtenu pour ce gel précis. Ces propriétés décideront de la capacité du gel activé par la lumière à dépasser le stade de la démonstration en laboratoire.
Le résultat obtenu avec une seule formulation est également à double tranchant. Il ne teste qu'une petite partie d'un espace de conception où de nombreuses combinaisons de PIG, de polymère et de solvant restent inexplorées. Il existe peut-être une meilleure formulation, mais aucune n'a encore été montrée. L'idée que ces travaux pourraient fonder un nouveau sous-domaine repose sur cet espace encore ouvert, et non sur des performances mesurées sur plusieurs matériaux.