Qui ne connaît pas l'image archétypale d'un satellite : deux « ailes » solaires déployées et un corps compact, enveloppé dans une feuille dorée ou argentée scintillante. C'est précisément cette feuille qui intéresse les chercheurs du laboratoire « Mechanics of Materials and Nanostructures » de l'Empa à Thoune. Sa large diffusion en dit long : ce film est extrêmement important pour les satellites et les sondes spatiales. Il s'agit d'une « isolation multicouche », ou « superisolation ». Elle se compose de plusieurs couches d'un polymère robuste recouvert d'une fine couche métallique, généralement de l'aluminium. Sur Terre, on trouve ce film enduit sous la forme de couvertures de survie, par exemple.

À bord des engins spatiaux, l'isolation multicouche protège les composants électroniques des variations de température. « Pour les satellites en orbite proche de la Terre, la différence de température entre le côté exposé au soleil et le côté à l'ombre est d'environ 200 degrés. Une différence de température similaire se produit également lorsqu'un satellite passe de l'ombre de la Terre à la partie ensoleillée de la planète, et vice versa, ce qui se produit 16 fois par jour », explique Barbara Putz, chercheuse à l'Empa. « Or, l'électronique fonctionne mieux à température ambiante. » Et comme elle est directement exposée aux conditions spatiales, l'isolation multicouche doit elle-même être capable de résister à certaines contraintes.

Le polyimide, un matériau extrêmement résistant, est généralement utilisé comme base polymère pour la structure en couche mince. Outre sa résistance à la température et au vide, ce plastique se caractérise également par le fait que la couche d'aluminium y adhère particulièrement bien. « Cela s'explique par la présence d'une couche intermédiaire de quelques nanomètres d'épaisseur qui se forme lors du processus de revêtement à l'interface entre le polymère et l'aluminium », explique Barbara Putz. La chercheuse souhaite désormais étudier cette interface de manière plus approfondie et utiliser la couche intermédiaire de manière ciblée. Elle devrait non seulement permettre une meilleure isolation multicouche pour les futurs satellites, mais aussi accélérer le développement de l'électronique flexible sur Terre. Elle a reçu un « Ambizione Grant » du Fonds national suisse (FNS) pour ce projet de recherche.

Cinq nanomètres font toute la différence

Afin de mieux comprendre la couche intermédiaire et ses effets sur les propriétés des matériaux, Barbara Putz et sa doctorante Johanna Byloff ont opté pour un système modèle simple : un film polyimide de 50 micromètres d'épaisseur recouvert de 150 nanomètres d'aluminium. Entre le métal et le plastique, les chercheuses appliquent un revêtement d'oxyde d'aluminium de seulement cinq nanomètres. Travailler avec une couche intermédiaire aussi fine est un véritable défi. Afin de garantir un traitement propre, les chercheuses utilisent une machine de revêtement de la spin-off de l'Empa Swiss Cluster AG, fondée en 2020 par des chercheurs du laboratoire « Mechanics of Materials and Nanostructures ». Cet appareil permet d'appliquer successivement différents procédés de revêtement sur la même pièce sans la retirer de la chambre à vide.

« Notre combinaison de matériaux correspond à celle utilisée pour les applications spatiales, par exemple dans la sonde européenne ‹ BepiColombo › destinée à Mercure ou dans le bouclier solaire du télescope spatial James Webb de la NASA », explique Johanna Byloff. « Seulement, la fine couche intermédiaire s'y forme naturellement, tandis que nous la fabriquons de manière ciblée, ce qui permet d'ajuster ses propriétés. » Le bouclier solaire du télescope spatial, qui mesure 21 mètres sur 14, illustre également les exigences auxquelles le matériau doit répondre dans l'espace. Outre les grandes différences de température, les couches isolantes sont également soumises à des contraintes mécaniques. « D'une part, le bouclier solaire était rangé pendant le transport du télescope et devait se déployer sur le site d'utilisation sans que les couches ne se déchirent ou ne se détachent les unes des autres », dit Johanna Byloff. « D'autre part, des particules et des débris spatiaux peuvent endommager le film. Il est important que les dommages restent localisés et ne se propagent pas sous forme de longues fissures sur toute la surface. »

Des satellites aux capteurs médicaux

Les chercheuses ont examiné leur film modèle sous toutes les coutures, l'ont soumis à des essais d'étirement et à des chocs thermiques, et en ont caractérisé les propriétés chimiques et physiques. Résultat : la nouvelle couche intermédiaire rend le matériau plus extensible et nettement plus résistant aux fissures et à l'écaillage. Les chercheuses souhaitent désormais varier l'épaisseur de la couche et l'appliquer sur d'autres substrats polymères. « La couche intermédiaire naturelle ne peut se former que sur quelques polymères et uniquement avec une épaisseur d'environ 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, jusqu'à présent, n'étaient pas envisageables en raison de la mauvaise adhérence du revêtement. »

L'isolation des satellites n'est pas le seul domaine dans lequel les systèmes multicouches flexibles sont recherchés. Barbara Putz et Johanna Byloff voient également un vaste champ d'application pour leurs recherches dans le domaine de l'électronique flexible, qui repose également sur des substrats polymères recouverts de métal. Les composants à couche mince pour les appareils électroniques comportent généralement plusieurs couches de matériaux différents. Mais là aussi, les propriétés mécaniques pourraient être améliorées grâce à l'utilisation ciblée de couches intermédiaires minces. Cela pourrait faire progresser la fabrication d'appareils pliables ou enroulables, ainsi que de textiles intelligents et de capteurs médicaux souples.