De grands flux de marchandises circulent chaque jour autour du globe. Parmi eux, on trouve des livraisons particulièrement sensibles, comme certains vaccins, médicaments et denrées alimentaires. Pour que ces produits arrivent à destination en toute sécurité, ils doivent rester dans une certaine plage de température et d'humidité tout au long de leur chaîne d'approvisionnement. Mais comment s'en assurer ? Il est coûteux et non durable d'équiper chaque unité de livraison de capteurs et de puces à base de silicium. Et les mesures effectuées aux points nodaux de la chaîne d'approvisionnement ne disent rien de ce qui est déjà arrivé à l'envoi sensible en cours de route.

Des chercheurs de l'Empa, de l'EPFL et du CSEM ont relevé ce défi dans le cadre d'un projet de quatre ans appelé « Greenspack ». Ensemble, ils ont développé une étiquette intelligente qui mesure la température et l'humidité relative de l'air et qui peut se « souvenir » lorsqu'un certain seuil de température a été dépassé. Ce faisant, le petit autocollant est non seulement exempt de silicium, mais aussi entièrement biodégradable. Le projet a été soutenu par le Fonds national suisse (FNS) et Innosuisse dans le cadre du programme « BRIDGE Discovery ». Les chercheurs ont publié leurs conclusions dans la revue scientifique « Nature Communications ».

Circuits imprimés avec mémoire

Pour accomplir sa tâche, l'étiquette intelligente n'a pas besoin de batterie ni d'émetteur. Elle fonctionne plutôt comme une puce RFID. Elle contient des bandes imprimées de matériaux conducteurs qui forment des circuits électriques avec des éléments ohmiques et capacitifs. Si ces circuits sont exposés à un champ électromagnétique, par exemple par un lecteur d'étiquettes, il se produit une résonance qui peut être déchiffrée par le lecteur. Ce qui est raffiné, c'est qu'en fonction de la température ambiante ou de l'humidité de l'air, la conductivité et la capacité des différents circuits électriques changent, et donc aussi leur résonance. Cette modification donne des informations sur la température et l'humidité actuelles – sans aucune technique de mesure compliquée.

Mais ce n'est pas tout – les chercheurs ont également voulu conférer une sorte de « mémoire » à l'étiquette. Si la température de 25° est dépassée, un minuscule élément dans l'une des lignes conductrices fond, ce qui interrompt irrémédiablement le circuit électrique. Lors de la prochaine lecture, l'étiquette indiquera : Cet envoi a déjà été trop chaud. « Si nous parlons par exemple de vaccins, cela pourrait signifier que la livraison ne doit plus être utilisée ou que la date de péremption n'est plus valable », explique Gustav Nyström, directeur du laboratoire “Cellulose and Wood Materials” de l'Empa, qui a dirigé le projet de recherche.

Cette technologie allège la chaîne d'approvisionnement et réduit son empreinte carbone : les marchandises potentiellement endommagées sont ainsi détectées plus tôt et ne doivent pas être réexpédiées. Si la livraison est simplement devenue moins durable en raison de l'effet de la température, elle peut par exemple être redirigée vers un lieu d'utilisation plus proche. « En fonction des matériaux que nous utilisons, nous pouvons également fixer un autre seuil de température », ajoute Gustav Nyström. On pourrait par exemple imaginer des étiquettes pour des marchandises surgelées.

Biodégradable et durable

La vision des chercheurs est de composter l'étiquette à la destination ou de la recycler avec le carton, car elle est entièrement biodégradable. Pour le substrat, les chercheurs de l'Empa ont spécialement développé un matériau composé d'un biopolymère et de fibres de cellulose. Pour imprimer les pistes conductrices, les chercheurs de l'Empa et de l'EPFL ont utilisé une encre spécialement développée à cet effet, qui contient du zinc, un métal biorésorbable. Pendant ce temps, les chercheurs du CSEM ont travaillé sur la structure de l'étiquette et sur la technologie de sélection.

Travailler avec des matériaux biodégradables est toujours un défi – car ils ne doivent évidemment se décomposer que lorsque leur travail est terminé. En outre, les différents composants de l'étiquette ne devaient réagir que de manière très sélective aux conditions ambiantes : « Nous ne voulions pas que le capteur de température réagisse à l'humidité et inversement », explique Gustav Nyström. Ensemble, les partenaires du projet sont parvenus à résoudre ces problèmes. Deux chercheurs de l'EPFL sont maintenant en train de commercialiser les résultats de « Greenspack » avec une start-up appelée « Circelec ». Les chercheurs de l'Empa, autour de Gustav Nyström, veulent à l'avenir plonger encore plus profondément dans le domaine de l'électronique verte et explorer le potentiel des étiquettes intelligentes comme capteurs dans l'agriculture et l'observation de l'environnement.