🧪 Chimie

• Super Condensateur au Graphène LIG Avec du kapton + Decoupeuse laser
• Impression 3D électrochimique : Réalisation d'un réseau d'électrodes
• La Pile-Patate

Super Condensateur au Graphène LIG Avec du kapton + Decoupeuse laser

Vidéo Youtube Sur la chaine de la Société chimique de France

tout est expliqué dedans amusez vous bien!

Informations

• René Meng
  
• rene.meng@etu.S-U.fr
• M1 Chimie Stage au Laboratoire LISE
  
• Juin-Juillet 2022
  

Contexte

Vidéo Breaking taps

qui se base sur cette publi https://rdcu.be/cMAKU

J'ai donc réalisé une video proof of concept grace au fablab avec du scotch de kapton

Objectifs

Reproduire l'experience et allumer une LED.

Matériel

• Feuille de polyimide ou Kapton

Machines utilisées

Trotec Speedy 100

Construction

Voir la vidéo

Journal de bord

Disponible sur mon site web
https://renemeng.wordpress.com/2022/12/24/supercondensateur-au-graphene-lig-obtention-du-prix-l3-societe-chimique-de-france/

Impression 3D électrochimique : Réalisation d'un réseau d'électrodes

Ce que j'ai fait au fablab: 

Réseau d'électrode 6*6 sur PMMA recouvert d'or pour une application à l'impression 3D par voie électrochimique.

Introduction au sujet: 

https://drive.google.com/file/d/1nkw5Zwh1voD9N_fGageRGOvbt9gQq36m/view?usp=sharing 

. En revanche les techniques se sont orienté depuis 1996 sur des méthode par écriture directe, par la polarisation de la cathode. Cela permet notamment d'imprimer des pièces en cuivre, mais aussi d'autre matériaux conducteurs, y compris des alliages.

Une entreprise américaine à quant à elle développé une technologie d'impression qui repose sur une polarisation sélective d'un réseau d'anode, ce qui permet d'imprimer Stéréo-électrochimiquement des pièces complexes en cuivre, avec comme application des refroidisseur haute performance pour processeur avec des structure en gyroides permettant de maximiser les échanges thermique. L'intérêt est que la performance des processeur est limité par la capacité à le refroidir.

Grace aux développements des Modèles de langage OpenSource notamment avec (Mixtral 8x7b) il a été facile de re-bricoler une imprimante résine avec une carte arduino pour l'interfacer avec un PC, les progrès sont tels que j'ai quasiment pas eu besoin d'utiliser ChatGPT 3.5.

Théorie vs pratique

gravure de l'or sur le PMMA

J'ai commencé par réaliser des essais sur du PMMA 3mm avec la Trotec Speedy 360 pour vérifier mon motif réalisé sur Kicad/Inkscape, j'ai notamment remarqué le manque de résolution pour des détail verticaux en balayage horizontale, dû à l'anisotropie du balayage de la graveuse laser. J'ai aussi essayer de réaliser la gravure à 45 degré, cela résous l'anisotropie, mais apporte les défauts à l'ensemble du dispositif. La solution serait de réaliser un balayage Vertical suivit d'un balayage horizontale sans avoir besoin de tourner la pièce manuellement(difficulté à l'aligner). J'ai contacté Le technicien commercial de Trotec qui m'a déconseillé de débloquer cette fonctionnalité. Il m'a en revanche conseillé de travailler avec une vitesse 4 fois inferieur avec une puissance proportionnellement plus faible pour augmenter par 8 la qualité. Le problème rencontré est notamment dû au temps de changement de la puissance du laser. 

J'ai aussi noté l'impossibilité d'employer le contour par écriture direct en raison des trajectoires par acoup créant des trou profond et détruit les connections aux alentours. D'après le technicien commercial, il s'agit d'un problème lié à la correction de puissance. Il faudrait la diminuer? Eventuellement à essayer sur l'or?

Il m'a précisé qu'il n'est pas souhaité d'appeler le technicien commercial soi même, c'est le rôle du Fabmanager.

La speedy 360 et 100 possèdent un laser d'un laser d'une taille de point de 120µm et de longueure d'onde 10,6 µm (microonde). Il faut donc en tenir compte dans le design. j'ai donc retracer les contours sur inkscape pour tenir compte de la taille de point, avec en rouge le chemin du point de 120µm.

L'or présente une barrière d'activation avant la gravure, même si il semble exister une énergie intermédiaire pour seulement retirer en partie l'or d'une 100 aines de nanomètres, il est nécessaire d'utiliser une puissance beaucoup plus élevée, ce qui engendre des creux plus profond sur le PMMA.

Pour optimiser le processus en jouant sur la longueur d'onde il faut étudier l'absorbance du PMMA et de l'or qui sont tout deux assez mauvais. Ce qui explique bien ce phénomène.

Repousser les limites de la Speedy  360 à un intérêt pour la microfabrication en Makerspace, et permet d'avoir une résolution utilisable. Mais pour avoir une bonne répétabilité, il serait intéressant de pouvoir utiliser la LPKF Protolaser H4 qui offre une bien meilleure résolution. C'est pourquoi j'ai contacté LPKF qui m'ont confirmé la possibilité théorique d'utiliser d'autre matériaux sans risque particulier. Il ma notamment fournit un guide pour faire des tests afin de trouver les bon paramètres. Néanmoins il est nécessaire d'être formé à cette machine qui utilise un laser fibré de 1064 nm (IR) d'une taille de point de 25µm, et permet de réaliser un double balayage vertical et horizontal. Voici un lien du document en question : https://drive.google.com/file/d/1aiiEEKLoY4rNRjV9LAuTF24pEDxQzHwb/view?usp=sharing 

Il sera envisagé d'utiliser cette machine pour la réalisation de PCB pour l'imprimante 3D ainsi que la réalisation des électrodes.

Le laser à une zone de balayage de 30x30mm (haute précision) et la possibilité de déplacer cette zone en XYZ(moyenne précision). 

il est important que ces zones de balayage ne gènent pas le design en se décalant.

Ainsi en une après midi avec Emmanuel, nous avons pu réaliser ce réseau d'électrode en optimisant les paramètres. Il est notable que la LPKF laisse de joli paillette dans le PMMA qui n'est pas gravé du tout. Le matériaux a été paramètré comme un PCB de 3mm avec une couche de cuivre de 0.1 µm.(analogue à notre config) Il a été réalisé plusieurs test pour optimiser les paramètres afin d'avoir le résultat souhaité. 

il a été remarqué que des détails en or ont été arraché, il a donc été important d'optimiser la puissance en la baissant pour ne pas déchirer l'or.

En optimisant les paramètres

il a été possible de se débarrasser au maximum des déchirure avec une puissance de 0.3W.

Il serait intéressant de changer de substrat pour avoir une meilleure adhésion comme par exemple un support de type pcb.

La Pile-Patate

Informations

• Mikhail Kogan, Angela Fournel-Meria
  
• Emplois étudiants FabLab
  
• 17/06/2024
  

Objectifs

Nous avons mis en place une expérience de pile-patate, qui vise à créer un courant grâce à des patates ainsi que des plaques de cuivre et de zinc. Nous présentons ici l'expérience pour les autres étudiants qui souhaiteraient la reproduire. L'intérêt de l'expérience est de mettre en lumière le fonctionnement d'une pile et de réussir à mesurer le courant produit avec l'installation. Nous essaierons aussi de faire varier les paramètres de l'installation pour déterminer quel dispositif est le plus puissant.

Contexte

Les ions Zn2+ sont arrachés par l'acide présent dans la pomme de terre à la plaque de zinc, y laissant des électrons excédentaires. Pendant ce temps la, l'hydrogène présent dans l'acide arrache les électrons au cuivre, laissant de l’oxygène chargé négativement. Cet oxygène réagit ensuite avec la les ions de zinc, formant de l'oxyde de zinc (la couche de rouille sur la plaque), et la pomme de terre conserve ainsi une charge neutre. Les électrons excédentaires passent ensuite par le fil de la plaque de zinc vers la plaque de cuivre affin de combler les lacunes, créant un courant électrique.

Matériel

• pommes de terre
  
• fils avec pinces crocodile
  
• zinc (sous forme de plaque ou par exemple dans des clous)
  
• cuivre (sous forme de plaque ou par exemple dans des centimes)
  
• multimètre

Protocole

Étape 1

Insérer les plaques de cuir et de zinc à l'intérieur de la pomme de terre

Étape 2

Brancher les pinces crocodile aux plaques et aux sondes de test du multimètre

Étape 3

Mesurer la tension en utilisant l'entrée COM reliée au zinc par les pinces crocodile et l'entrée de mesure de tension reliée au cuivre

Étape 4

Mesurer l'intensité du courant en utilisant l'entrée COM reliée au zinc et l'entrée de mesure d'intensité en µA ou mA reliée au cuivre

Première batterie d'expériences

Expérience 1

Nous avons disposé les plaques de cuivre et de zinc à proximité (1 cm) et avec une grande surface de contact avec la pomme de terre (4cm). 

Voilà les résultats obtenus :

Intensité du courant : 300 µA

Tension du courant : 0,820 V

Expérience 2

Nous avons ensuite réduit la surface de contact (2cm) entre les plaques métalliques et la pomme de terre

Intensité du courant : 250 µA

Tension du courant : 0,8 V

Expérience 3

Nous avons augmenté la distance (7cm) entre les deux plaques métalliques tout en gardant une surface de contact réduite (2 cm).

Intensité du courant : 120 µA

Tension du courant : 0,890 V

Expérience 4

Nous avons garder la distance augmentée (7 cm) mais en augmentant la surface de contact (4 cm).

Intensité du courant 130 µA

Tension du courant 0,820 V

Conclusion

Récapitulatif des résultats : 

Remarque : Les résultats sont intéressants relativement les uns aux autres pour faire des comparaisons mais les valeurs numériques en elles-même ne sont pas précises puisqu'elles peuvent varier en fonction de plusieurs facteurs que nous ne pouvons pas forcément contrôler, par exemple la quantité de jus de pommes de terre peut influer sur la réaction qui a lieu.

Analyse des résultats : L'intensité augmente nettement lorsque la distance entre les deux plaques métalliques diminue et augmente plus légèrement lorsque la surface de contact entre la pomme de terre et les plaques métalliques augmente. La tension augmente lorsque la distance entre les deux plaques métalliques augmente. On a ensuite calculé la puissance des différentes installations pour déterminer la pile-patate la plus efficace en utilisant la formule P=I * U. La pile-patate la plus efficace est celle où l'on minimise la distance entre les deux barres métalliques et où l'on maximise la surface de contact.

Expérience supplémentaire 

Nous avons reproduit l'expérience mais avec un citron. Sa taille ne permet pas de jouer autant avec les paramètres de surface de contact et de distance entre les plaques métalliques mais nous pouvons tout de même mesurer un courant. On remarque une différence d'intensité lorsque les plaques métalliques sont dans le même quartier du citron ou non. On suppose donc que la membrane entre deux quartiers joue un rôle d'isolant. 

La pile-citron lorsque les plaques métalliques sont dans le même quartier est la plus performante de tous les dispositifs testés, avec une puissance de 0,33 mW.

Pour aller plus loin

Avec cette technique de pile, il est possible d'allumer une LED, mais cela demande de pouvoir brancher en parallèle un plus grand nombre de pommes de terre avec des plaques métalliques les plus grandes possibles. Cependant, avec le nombre de pommes de terre et de métaux que nous avions à disposition, nous n'avons pas pu obtenir un courant suffisant à allumer une LED.