Publié le 16 décembre 2025 06:05:00. Des chercheurs de l’Empa à Thoune étudient une couche ultra-fine, à peine cinq nanomètres d’épaisseur, qui pourrait révolutionner l’isolation des satellites et ouvrir la voie à une nouvelle génération d’électronique flexible.
- Une couche d’oxyde d’aluminium de seulement cinq nanomètres améliore considérablement la résistance aux fissures et aux contraintes mécaniques des matériaux utilisés pour l’isolation thermique des engins spatiaux.
- Cette découverte pourrait également accélérer le développement d’écrans pliables, de textiles intelligents et de capteurs médicaux flexibles.
- L’équipe de recherche a reçu une « Ambizione Grant » du Fonds national suisse pour mener à bien ce projet innovant.
L’image typique d’un satellite – deux vastes panneaux solaires déployés et un corps compact enveloppé d’un film scintillant doré ou argenté – est familière à tous. C’est précisément ce film qui intéresse les chercheurs du laboratoire « Mechanics of Materials and Nanostructures » de l’Empa à Thoune. Ce matériau, appelé « Multilayer Insulation » (MLI), ou super-isolation, est essentiel pour les satellites et les sondes spatiales. Il est constitué de multiples couches d’un polymère robuste recouvert d’une fine couche métallique, généralement d’aluminium. Sur Terre, on le retrouve notamment dans les couvertures de survie.
À bord des engins spatiaux, la super-isolation protège les composants électroniques des variations extrêmes de température. « Pour les satellites en orbite terrestre basse, la différence de température entre la face exposée au soleil et la face à l’ombre peut atteindre 150 degrés Celsius », explique Barbara Putz, chercheuse à l’Empa. « Or, les composants électroniques fonctionnent de manière optimale à une température ambiante d’environ 25 degrés Celsius. » Soumise aux conditions rigoureuses de l’espace, la super-isolation doit donc être particulièrement résistante.
Le polyimide est généralement utilisé comme base polymère pour cette structure multicouche en raison de sa grande résistance. Outre sa résistance à la température et au vide, ce plastique présente l’avantage que la couche d’aluminium y adhère particulièrement bien. « Cela est dû à une couche intermédiaire d’une épaisseur de quelques nanomètres qui se forme lors du dépôt entre le polymère et l’aluminium », précise Barbara Putz. C’est cette couche intermédiaire que la chercheuse souhaite étudier plus en détail – et l’utiliser de manière ciblée. L’objectif est d’améliorer l’isolation thermique des futurs satellites, mais aussi d’accélérer le développement de l’électronique flexible sur Terre.
Pour comprendre précisément la couche intermédiaire et son impact sur les propriétés des matériaux, Barbara Putz et sa doctorante, Johanna Byloff, ont opté pour un système modèle simple : un film de polyimide d’une épaisseur de 50 micromètres, recouvert de 150 nanomètres d’aluminium. Entre le métal et le plastique, les chercheuses appliquent une couche d’oxyde d’aluminium d’une épaisseur de seulement cinq nanomètres. Travailler avec une couche aussi fine est un défi. Pour garantir un traitement propre, elles utilisent une machine de revêtement du Swiss Cluster AG, une entreprise issue du laboratoire « Mechanics of Materials and Nanostructures » de l’Empa, fondée en 2020. Cet appareil permet d’appliquer plusieurs procédés de revêtement les uns après les autres sur la même pièce sans la retirer de la chambre à vide.
« Notre combinaison de matériaux est similaire à celle utilisée pour les applications spatiales, par exemple sur la sonde européenne Mercure BepiColombo ou sur le bouclier solaire du télescope spatial James Webb de la NASA », indique Johanna Byloff. « Seule la couche d’oxyde intermédiaire se forme naturellement dans ces cas, tandis que nous la créons intentionnellement, ce qui permet de contrôler ses propriétés. » Le bouclier solaire du télescope spatial, mesurant 21 mètres sur 14 mètres, illustre également les exigences élevées auxquelles les matériaux sont soumis dans l’espace. Outre les grandes différences de température, les couches isolantes sont également soumises à des contraintes mécaniques. « Le bouclier solaire a été plié lors du lancement du télescope et a dû se déployer à destination sans que les couches ne se déchirent ou ne se séparent », explique Johanna Byloff. « De plus, des particules et des débris spatiaux peuvent endommager le film. Il est alors important que les dommages restent localisés et ne se propagent pas sous forme de longues fissures. »
Les chercheuses ont soumis leur film modèle à des tests de traction et de chocs thermiques, et l’ont caractérisé chimiquement et physiquement. Les résultats montrent que la couche intermédiaire rend le matériau plus extensible et beaucoup plus résistant aux fissures et aux forces de cisaillement. Elles prévoient maintenant de faire varier l’épaisseur de la couche et de l’appliquer sur d’autres substrats polymères. « La couche intermédiaire naturelle ne se forme que sur le polyimide et uniquement avec une épaisseur de cinq nanomètres, ce qui limite son utilité », explique Barbara Putz. « Nous espérons que notre couche intermédiaire artificielle permettra de créer des systèmes multicouches sur d’autres polymères qui n’étaient pas envisageables jusqu’à présent en raison d’une mauvaise adhérence du revêtement. »
L’isolation des satellites n’est pas le seul domaine où les systèmes multicouches flexibles sont demandés. Barbara Putz et Johanna Byloff voient également un large éventail d’applications dans le domaine de l’électronique flexible, qui repose également sur des substrats polymères recouverts de métal. Les composants minces pour les appareils électroniques comportent généralement plusieurs couches de différents matériaux. Mais là aussi, l’utilisation ciblée de couches intermédiaires minces pourrait améliorer les propriétés mécaniques. Cela pourrait permettre de créer des appareils pliables ou enroulables, des textiles intelligents et des capteurs médicaux flexibles.
En savoir plus sur la recherche de l’Empa
Bibliographie
J Byloff, V Devulapalli, D Casari, TEJ Edwards, COW Trost, MJ Cordill, SA Husain, PO Renault, D Faurie, B Putz: From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers; Advanced Functional Materials (2025); doi: 10.1002/adfm.202526343
J Byloff, COW Trost, V Devulapalli, S Altaf Husain, D Faurie, PO Renault, TEJ Edwards, MJ Cordill, D Casari, B Putz: Atomic Layer-Deposited Interlayers for Robust Metal–Polymer Interfaces; ACS Applied Materials & Interfaces (2025); doi: 10.1021/acsami.5c05156
Informations
Dr. Barbara Putz
Empa, Mechanics of Materials and Nanostructures
Tél. +41 58 765 62 54
[email protected]
Johanna Byloff
Empa, Mechanics of Materials and Nanostructures
Tél. +41 58 765 63 12
[email protected]
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