Des dispositifs thermoélectriques sont commercialisés depuis les années 1950 principalement pour la thermométrie et la réfrigération, et, depuis les années 2000, pour la réfrigération d’appareillages portatifs. Cependant, le faible rendement de conversion de ces derniers, dû aux limitations des propriétés des matériaux thermoélectriques courants, ne permet pas une utilisation commerciale à grande échelle de ces propriétés. C’est le cas aussi des premières thermopiles réalisées en 2005, dont le coût élevé et le faible rendement les limitent pour l’instant à des utilisations très ciblées. Depuis les années 1990, les préoccupations énergétiques de la planète ont engendré un nouvel intérêt pour la thermoélectricité dans le cadre du développement des énergies renouvelables. En effet, la thermoélectricité pourrait permettre de recycler la chaleur perdue par de nombreux systèmes. Par exemple, le recyclage de la chaleur accumulée dans les tuyaux d’échappement des voitures ou les cheminées industrielles pourrait permettre la production d’une électricité propre et peu chère. Dans le cas des véhicules motorisés, il suffirait simplement de doubler l’efficacité des modules thermoélectriques pour produire suffisamment d’énergie pour remplacer l’alternateur, ce qui par conséquent augmenterait la durée de vie du véhicule.

Sur les 15 dernières années, la recrudescence des recherches pour les matériaux thermoélectriques a ainsi permis des avancées scientifiques significatives telles que la découverte de nouveaux matériaux, l’utilisation de la nano-structuration afin de maîtriser les propriétés électroniques et thermiques de ces matériaux, une meilleure connaissance de ces matériaux et une meilleure compréhension des différents mécanismes responsables des propriétés thermoélectriques.

Record de performance

Afin d’évaluer la performance thermoélectrique d’un matériau, les scientifiques utilisent une grandeur appelée facteur de mérite ou « ZT ». Ce nombre représente le rapport de la conductivité électrique et de la puissance thermoélectrique du matériau sur sa conductivité thermique. Ainsi, pour améliorer la performance du matériau, il est nécessaire de maximiser sa conductivité électrique et sa puissance thermoélectrique, tout en minimisant sa conductivité thermique. Or, il est difficile d’agir sur l’un de ses paramètres sans en compromettre un autre. A cause de ces exigences contradictoires, le facteur de mérite a stagné à une valeur située autour de l’unité pendant des années.

En septembre 2012, des chimistes, physiciens, spécialistes des matériaux et ingénieurs en mécanique de l’Université Northwestern et de l’Université de l’Etat de Michigan, ont travaillé en étroite collaboration pour développer un nouveau matériau thermoélectrique détenant le record mondial d’efficacité de conversion chaleur-électricité, avec un facteur de mérite de 2,2. L’équipe avait déjà commencé à progresser régulièrement depuis quelques mois, avec des valeurs de ZT de plus en plus hautes, grâce à l’introduction de nanostructures au sein de leurs alliages. Ainsi en janvier 2011, ils avaient déjà atteint une valeur de 1,7 avec leur première utilisation de nanostructures au sein d’une matrice de tellurure de plomb, permettant de réduire la diffusion des électrons au sein du matériau et d’en augmenter la performance thermoélectrique. Le nouveau matériau qu’ils ont réalisé, toujours à base de tellurure de plomb, devrait convertir en électricité utile, de 15 à 20% de la chaleur perdue. La découverte a été publiée dans le journal Nature.

Ce record a été réalisé en diffusant un spectre plus large de phonons (quantums d’énergie vibrationnelle), balayant toutes les longueurs d’onde, ce qui permet de réduire significativement la conductivité thermique. L’équipe est la première à proposer une telle approche dite « panoscopique ». L’approche panoscopique combine trois techniques afin de diffuser simultanément les phonons de petites, moyennes et grandes longueurs d’onde. En particulier, ils ont su améliorer la diffusion des phonons de grandes longueurs d’onde en contrôlant et en adaptant l’architecture du matériau à l’échelle mésoscopique, une approche qui va bien au-delà de la simple nanostructuration.

Selon les auteurs de l’étude, un intérêt remarquable de l’approche panoscopique est qu’elle est applicable à tout matériau thermoélectrique.

Recherche de meilleurs alliages

De nos jours, les matériaux thermoélectriques les plus efficaces sont réalisés à partir d’alliages comportant des matériaux semi-conducteurs relativement rares tels que le bismuth, le tellure et le sélénium. Les propriétés inhabituelles de thermoélectricité proviennent en effet des interactions complexes entre les nombreux électrons contenus dans les alliages de ces métaux lourds. Cependant ceux-ci sont chers, fragiles et souvent toxiques. Les scientifiques cherchent ainsi des alternatives, tout en s’efforçant d’optimiser le rendement de conversion thermoélectrique.

Méthode de recherche

En juin 2013, des chercheurs de l’Institut de Technologie de Californie (Caltech) et de l’Université de Tokyo ont publié un article dans le journal APL Materials, dans lequel ils démontrent l’efficacité d’une approche dite « approximation de bande rigide » pour prédire les propriétés thermoélectriques d’un matériau. Afin de créer de nouveaux matériaux avec un rendement de conversion thermoélectrique toujours plus élevé, plusieurs variables doivent être prises en compte : la composition des alliages évidemment, mais aussi la taille des cristaux ainsi que les dopants. Les combinaisons possibles étant extrêmement nombreuses, des calculs théoriques sont nécessaires pour guider les choix et, vu l’extrême complexité des matériaux thermoélectriques, des hypothèses de calcul sont nécessaires.

Aujourd’hui, les deux principales approches sont : « l’approximation de bande rigide », qui fournit un modèle relativement simple de la structure électronique du matériau, et « l’approche de supercellule », plus complexe mais permettant d’obtenir de façon plus détaillée l’arrangement atomique idéal et donc d’évaluer, pense-t-on, plus précisément les propriétés thermoélectriques du matériau. La découverte des chercheurs de Caltech et de l’Université de Tokyo, contredit ces affirmations : « l’approximation de bande rigide » est en fait la méthode la plus précise. Utilisant cette dernière méthode, ils ont en effet prédit plus précisément les propriétés de l’un des matériaux thermoélectriques les plus connus, le tellurure de plomb dopé au sodium, potassium ou thallium. Ils expliquent que la méthode de supercellule décrit uniquement les matériaux thermoélectriques contenant certains types de dopants car elle ne prend pas en compte les différents défauts présents dans les matériaux réels.

Cette découverte est encourageante, car elle permettra aux chercheurs d’identifier plus rapidement les compositions des alliages ayant les propriétés thermoélectriques les plus prometteuses.

Un alliage non toxique et particulièrement performant

Un nouvel alliage thermoélectrique particulièrement performant, et composé de matériaux non toxiques, a récemment été réalisé par des physiciens de l’Université de Houston et du Centre pour la Superconductivité du Texas. Leur travaux, menés en collaboration avec des chercheurs de l’Institut de Technologie du Massachusetts et du Collège de Boston, ont été publiés en juillet 2013 dans les comptes-rendus des Académies Nationales Scientifiques américaines.

Ce nouveau matériau, particulièrement performant pour la transformation chaleur-électricité, est un alliage de tellurure d’étain, dopé à l’indium. Jusqu’ici le tellurure a beaucoup été étudié pour ses excellentes propriétés thermoélectriques, mais peu utilisé commercialement car il avait toujours été associé à du plomb, lequel présente des risques pour la santé. L’équipe texane a réussi à réaliser un composé similaire mais plus sain en s’affranchissant du plomb. Après plusieurs essais de dopants, ils ont trouvé que les propriétés thermoélectriques du tellurure nanostructuré dopé à l’indium étaient les plus prometteuses. Les impuretés d’indium créent un phénomène de résonance permettant aux électrons de transporter en moyenne plus de chaleur, ce qui induit un « coefficient de Seebeck » plus élevé.

Les auteurs de l’étude travaillent maintenant à la réalisation d’un module thermoélectrique, dont l’intégration au sein de véhicules devrait permettre un gain de 5% sur le kilométrage, et l’intégration au sein de centrales électriques une augmentation de 10% du taux de conversion.

Matériaux thermoélectriques organiques

Utilisation de semi-conducteurs organiques

Des chercheurs de l’Université de Michigan (U-M) se sont intéressés à une classe spécifique de matériaux thermoélectriques, réalisés à partir de semiconducteurs organiques. Alors que ces composés n’étaient jusque là pas considérés comme de bons candidats pour la réalisation de modules thermoélectriques à cause de leur faible facteur de mérite, l’étude publiée en mai 2013 par l’équipe de l’U-M montre qu’ils sont parvenus à en doubler l’efficacité.

L’intérêt d’utiliser des semiconducteurs organiques provient de ce que ces composés riches en carbone sont relativement peu chers, abondants, légers et résistants. Jusqu’ici, leur facteur de mérite était cependant de l’ordre de 0,25, soit un quart de celui des semiconducteurs inorganiques couramment utilisés. Avec la nouvelle méthode proposée par les chercheurs de l’U-M, cette valeur vient de battre un record de 0,42, soit une amélioration de 70%. Pour cela, ils ont utilisé un mélange de deux polymères, « PEDOT-PSS » : le polymère conjugué PEDOT et le polyélectrolyte PSS. Ce composé a été précédemment utilisé en tant qu’électrode transparente pour des dispositifs tels que des LEDs et des cellules solaires organiques, ainsi qu’en tant qu’agent antistatique pour des matériaux tels que les films photographiques.

L’étude explique que lors du dopage du PEDOT par PSS, seule une petite fraction des molécules de PSS se lie au matériau hôte PEDOT. Alors que ces molécules de PPS liées améliorent la conductivité électrique du matériau, le reste des molécules PSS non ionisées et inactives, produisent l’effet inverse : elles séparent les unes des autres les molécules de PEDOT, rendant le passage des électrons d’une molécule de PEDOT à l’autre plus difficile. Pour s’affranchir de cet inconvénient, les chercheurs ont restructuré le matériau à l’échelle nanométrique. Ils ont alors trouvé un moyen de retirer certaines des molécules de PPS non ionisées du mélange grâce à l’utilisation de solvants spécifiques, entrainant ainsi une grosse augmentation à la fois de la conductivité électrique et de l’efficacité de conversion énergétique par thermoélectricité.

Il est intéressant de noter qu’à l’inverse des matériaux thermoélectriques inorganiques, pour lesquels un compromis doit être établi pour décider lequel des paramètres du facteur de mérite sera optimisé au dépend des autres, l’approche présentée ici dans le cas de matériaux thermoélectriques organiques montre une méthode qui optimise l’ensemble des paramètres à la fois.

Des applications intéressantes à cette nouvelle technologie pourraient voir le jour à moyen terme ; en particulier, la création d’une feuille flexible thermoélectrique qui pourrait se déployer ou s’enrouler autour d’objets chauds afin de générer de l’électricité ou de les refroidir.

L’intérêt d’une interface organique/inorganique

Une autre équipe, du Laboratoire Berkeley, s’est intéressée aux matériaux thermoélectriques fabriqués à partir de polymères et nanocristaux, qui présentent l’intérêt d’être significativement moins chers à fabriquer que les matériaux thermoélectriques traditionnels. Ils ont ainsi réalisé un matériau composite dont la performance thermoélectrique est meilleure que l’addition des performances de chacun de ses composants. Leur étude a été publiée en mars 2013 dans le journal Advanced Materials. Le matériau a été réalisé à partir de nanofils de tellure et du polymère conducteur PEDOT:PSS. Afin d’expliquer ce résultat, les chercheurs ont modélisé leurs films en les assimilant à un composite comportant trois matériaux : les nanofils, le volume du polymère et une nouvelle phase interfaciale polymère/nanocristal présentant une conductivité électrique accrue.

Ainsi la découverte de cette nouvelle phase à l’interface, ayant un caractère hautement conductif, ouvre la voie à de nouvelles méthodes pour l’amélioration des matériaux thermoélectriques hybrides. Il est intéressant de noter que ce résultat peut aussi être utilisé à d’autres matériaux composites polymère/nanocristal, notamment ceux utilisés dans le domaine du photovoltaïque, des batteries et du stockage de l’hydrogène.

Innovation remarquable : une nouvelle méthode d’amélioration des performances

En mars 2013, des chercheurs du MIT et de l’Université Rutgers ont présenté dans le journal Advanced Materials une nouvelle méthode permettant d’augmenter les performances thermoélectriques des matériaux, grâce à l’utilisation de nanocomposites dont ils contrôlent la composition, les dimensions et la densité des nanoparticules incluses. L’étude est pour l’instant uniquement théorique, et présente la simulation numérique d’un tel matériau, montrant comment optimiser son facteur de mérite en jouant sur chacun des paramètres du facteur.

Un nouveau concept y est présenté, dans lequel les chercheurs profitent d’un phénomène d’antirésonance pour laisser passer les électrons de plus haute énergie dans le matériau tandis que les phonons (particules virtuelles transportant la chaleur) sont arrêtés par les nanoparticules car de moindre énergie. De plus, les nanoparticules qui « attrapent » les phonons s’avèrent même aider le passage des électrons.

La prochaine étape du travail sera donc de réaliser de premiers dispositifs tests, pour lesquels de nombreux challenges expérimentaux demeurent.

Source : Bulletins électroniques

Probablement mis au point par les Égyptiens il y a plusieurs millénaires, le ciment aura été amélioré à travers les siècles par bon nombre de civilisations, n’hésitant pas à y ajouter une touche à la fois personnelle et locale dans le seul but de le renforcer. Une étude récente diligentée par l’institut Niels Bohr de Copenhague et publiée dans le journal Scientific Reports, vient démontrer que le ciment élaboré à l’aide de déchets provenant de l’industrie du sucre (notamment la bagasse, le résidu fibreux de la canne à sucre) serait plus résistant qu’un ciment ordinaire. L’étude met notamment l’accent sur les cendres obtenues après combustion de la bagasse, cendres qui une fois mélangées au ciment renforceraient les liaisons entre la matière pulvérulente et les molécules d’eau, créant ainsi un matériau plus solide, résistant mieux aux pressions élevées et qui s’effriterait moins qu’un ciment lambda.

Signe de la marche du temps, certains pays producteurs de cannes à sucre – comme Cuba ou encore le Brésil – utilisent depuis de nombreuses années la bagasse et ses dérivés dans l’élaboration du ciment local. Lorsque le précieux sucre a été extrait de la canne, les déchets fibreux connaissent une seconde vie et servent à produire de la bioénergie, la bagasse ayant une valeur calorifique tout à fait honorable de 7900 kJ/kg. Dépourvue de dioxyde de soufre, la bagasse dégage également assez peu de dioxyde de carbone lors de sa combustion, le gros du CO₂ étant stocké dans le sucre. La combustion produit une cendre qui, une fois mélangée au ciment, semble le renforcer.

Chercheuse en nanophysique à l’université de Copenhague, Heloisa Bordallo s’est mise en tête de trouver ce qui pouvait distinguer les différents ciments en étudiant de nombreux échantillons, tous en provenance du Brésil. Son arme : la diffusion élastique des neutrons. Son but : étudier les propriétés de ces derniers à l’échelle nano, et se pencher sur la mobilité des molécules d’eau dans chacun des échantillons. En effet, la qualité et la solidité du ciment sont directement liées à cette mobilité, car plus l’eau peut se déplacer, moins le ciment pourra être robuste et durable.

En bombardant de neutrons les échantillons au sein du laboratoire Rutherford Appleton, situé en Angleterre, les tests révélèrent que le ciment contenant environ 20% de cendres présentait les meilleurs résultats, les interactions entre les cendres et les molécules d’eau laissant moins de mobilité à ces dernières.

Le ciment met en général une semaine pour se solidifier. Après un mois, le processus est aux 3/4 complet, et se poursuit encore durant de nombreuses années. Le ciment ordinaire serait plus solide dans les premiers mois, mais le ciment « écologique » aux cendres lui damerait le pion avant la fin de la première année. Il serait donc être intéressant de produire ce matériau à une échelle autre que locale, à la lumière de ces performances et de son impact bien moindre sur l’environnement.

Par Moonzur Rahman

Prenez une imprimante. Choisissez-en une avec l’option : modulation du voltage. Utilisez une encre à base de cristaux photoniques d’environ 200nm de diamètre. C’est bon, vous pouvez fabriquer un polymère capable de prendre n’importe quelle couleur. C’est en tout cas la technique utilisée par des scientifiques de l’université de Cambridge.

Aidés de leurs collègues allemands, ils ont réussi à aligner des particules en suspension dans un liquide grâce à un champ électrique, puis à polymériser ce liquide de façon à piéger les particules dans la géométrie voulue. Varier le champ faisant varier l’espacement entre les lignes, et donc la couleur visible du polymère.

Avec ce procédé, le polymère créé change de couleur suivant l’éclairage. Autrement dit, étirer le plastique change la façon dont la lumière est réfléchie, et donc sa couleur. Un comportement mimant celui des opales, ces pierres précieuses à la brillance multicolore. Ces dernières  présentent de multiples teintes du fait de la présence de sphères de silice dans la pierre. En laboratoire, l’équipe de Cambridge a utilisé des sphères avec un cœur de polystyrène recouvert d’une coque souple. D’où le surnom d’opale polymère.

Les chercheurs du NanoPhotonic center mettent en avant la simplicité de mise en œuvre et le faible coût de cette technique qui permet d’obtenir en une seule impression toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. De quoi supplanter l’utilisation d’encre et de pigments. Ce matériau pourrait servir  de témoin, changeant de couleur en signe d’alerte. Il est aussi possible de dessiner des motifs particuliers, qui s’illumineraient différemment de leur support.

Découvrez l’opale polymère :

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Par Audrey Loubens

La section 15, dans ses recherches, est soucieuse de correspondre aux enjeux sociétaux. Pour cette raison, les problématiques d’importants domaines tels que celui de l’énergie, l’environnement, l’habitat, les technologies de l’information et de la communication, les matériaux de structure et la santé sont pris en compte. Voici un tour d’horizon non exhaustif des différentes fonctionnalités et objectifs des nouveaux matériaux.

La création de matériaux

« Créer de nouveaux matériaux, déterminer leur structure, étudier et optimiser leurs propriétés constituent le fondement de l’activité du chimiste. » La créativité est primordiale; c’est par elle que les chercheurs parviennent à faire émerger de nouvelles perspectives chimiques. En effet, qu’ils explorent la chimie du solide et de la métallurgie ou qu’ils se tournent vers la découverte de nouvelles voies de synthèse comme la chimie douce; les chimistes dégagent de nouvelles formules, de nouvelles textures, de nouvelles structures, qui elles-mêmes conduisent à des matériaux auparavant inimaginables. Ainsi donc, le chimiste s’appuie sur l’observation et la manipulation de la nature des relations chimiques créées lors de la synthèse et de la mise en forme des matériaux.

Un travail d’autant plus difficile que les paramètres à prendre en compte sont extrêmement abondants. Parmi ces paramètres, citons au moins la stabilité intrinsèque des liaisons chimiques ainsi que la compétition qui règne entre elles. Pour cela, les techniques de modélisation et de simulation s’avèrent efficaces car elles guident les chimistes qui peuvent s’en servir pour approfondir leurs intuitions. Les chimistes se doivent de considérer tout type de matériaux, quelle que soit leur morphologie ou leur propriété car ils jouent, chacun à leur manière, un rôle essentiel dans différents domaines.

L’un des aspects de la recherche consiste à définir la caractérisation structurale des matériaux. La tâche est complexe, mais heureusement des outils sont à disposition. L’association de techniques est courante dans ce genre d’opération. La diffraction des rayons x, ou la méthode de Rietveld, développée en 1969 se révèle être fréquemment employée. Elle peut être couplée à la microscopie électronique, la RMN du solide, l’absorption X, l’XPS, la spectroscopie Mössbauer et la spectroscopie Raman. Ces techniques amènent à une connaissance multi-échelles des matériaux. Mais les chimistes ont d’autres outils pour enrichir leur connaissance. En grande partie parce qu’ils bénéficient des avancées technologiques constantes. Sans elles, impossible d’étudier aussi précisément les structures et compositions des nouveaux matériaux et nanomatériaux. Les instruments servent les techniques de recherche, il est normal qu’ils évoluent. Ainsi les grands instruments, les instruments de mesure optique, les plateformes de haut niveau sont sans cesse perfectionnées.

L’élaboration des nouveaux matériaux doit se faire en concordance avec l’attrait qu’ils représentent ainsi que la demande sociétale. C’est-à-dire qu’ils doivent répondre aux attentes définies lors d’une production à grande échelle et être respectueux de l’environnement et du développement durable. La section 15, qui est au cœur de la recherche sur les nouveaux matériaux, poursuit ces objectifs. Par les talents qu’elle regroupe, les stratégies qu’elle développe et les relations qu’elle entretien avec d’autres sections, elle connaît plusieurs succès dans le domaine des nanomatériaux (NTC), des céramiques et de la métallurgie. Les nombreuses expérimentations, par méthodes combinatoires, simulation et modélisation, bien que coûteuse, vont dans ce sens. Son champ d’études comprend également les matériaux connus, auxquels les chimistes développent leurs procédés d’élaboration, de transformation et de mise en forme. 

Les matériaux et les enjeux sociétaux

L’environnement joue un rôle désormais majeur dans le développement des matériaux. Compte tenu des problématiques telles que la diminution des réserves en énergie fossiles ou le réchauffement climatique, de nouvelles techniques de production, de conversion et de stockage ont été mises en place afin de réduire les émissions de CO2 et de mieux maîtriser la consommation dans chaque secteur.

La section 15 dirige donc une partie de ses recherches vers la conversion de l’énergie des matériaux. Quelques matériaux sont d’ores et déjà à l’étude et ouvrent des voies nouvelles de recherche. Notamment les matériaux de type photovoltaïque car « la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique représente une voie très prometteuse et riche. » À cet effet, diverses technologies sont développées comme les technologies du silicium et la voie « cellule de Grätzel ». Les piles à combustibles présentent elles aussi un bon rendement de conversion. Encore en développement, les PEMFCS fonctionnant à basse température (60-120°C), les SOFCs fonctionnant à haute température (700-1000°C), les piles céramiques à conduction protonique (PCFC) devraient ouvrir quelques portes de recherche. C’est également le cas pour les matériaux de type thermoélectrique, c’est-à-dire ayant la capacité de « transformer réversiblement l’énergie thermique en électricité ».

Les chimistes de la section 15 poursuivent la recherche de nouveaux matériaux plus performants ou tendent à améliorer ceux existant via la nanostructuration. « Parmi les nouveaux matériaux prometteurs, on peut citer les composés dérivés de Mg2Si et les travaux sur les systèmes composites. » Enfin, les scientifiques explorent l’effet magnétocalorique (EMC). Cette technique, employée pour la réfrigération, peut échauffer ou refroidir un solide lorsqu’il est soumis à un champ magnétique. Or la réfrigération se révèle très intéressante parce qu’elle « peut offrir une alternative moins énergivore et plus écologique aux systèmes thermiques classiques en raison d’une plus grande efficacité thermodynamique et de l’absence de polluant atmosphérique. »

Nous le savons, les ressources en énergies fossiles s’amenuisent. Les chercheurs se tournent par conséquent vers des matériaux de stockage. Dans le cas de la production d’électricité, les chercheurs se penchent principalement sur l’amélioration des batteries. Car le stockage du vecteur « électricité » présente quelques difficultés, dont celle d’être lissé sur une échelle de temps voulu. L’exemple le plus parlant est la production d’électricité par origine éolienne ou photovoltaïque. En effet, l’énergie ainsi produite fluctue selon les conditions météorologiques et est donc imprévisible. C’est pourquoi des systèmes à base de lithium, des systèmes au sodium, des systèmes lithium-air, des accumulateurs organiques éco-compatibles sont travaillés et optimisés afin d’offrir des performances accrues. Sans oublier le stockage d’hydrogène, dont les recherches pourraient se révéler particulièrement intéressantes. On constate une nouvelle fois que le développement des nouveaux matériaux – ici de matériaux d’électrode – joue un rôle majeur.

Et il y a le nucléaire. Face à la demande énergétique en constante augmentation, les chercheurs de la Section 15 se sont impliqués dans le nucléaire « durable ». Cela signifie que le développement des systèmes nucléaires ne peut se faire qu’en accord avec ces trois axes : économies de ressources naturelles, gestion optimisée des déchets et leur réduction ainsi que minimisation des risques de prolifération. La Section 15 contribue à la réussite de ces objectifs par les diverses recherches fondamentales qu’elle entreprend. Notamment celles portant sur la construction de matériaux de structure (cuves de réacteurs et circuits de refroidissement primaires et secondaires), la construction de matériaux de gainage du combustible, le confinement des déchets, les combustibles innovants, le retraitement et le recyclage du combustible usé…

« Les matériaux sont également incontournables pour l’amélioration de la qualité de vie dans l’habitat. » Les recherches sur les nouveaux matériaux destinés à l’habitat s’intensifient d’année en année tout en étant sensibilisées aux problématiques écologiques, environnementales et technologiques. Les grandes familles de matériaux fonctionnels se doivent d’ailleurs de répondre à deux exigences : la sobriété énergétique des bâtiments et la qualité de vie des occupants. Ainsi de nombreux matériaux sont à l’étude et permettent d’enrichir les connaissances des chercheurs. Citons entre autres les méso poreux, les matériaux à changement de phase, les matériaux catalytique, les matériaux actifs en photo catalyse et en électro catalyse… Les chimistes du solide travaillent sur la science des matériaux, la thermodynamique, l’ingénierie. 

En phase avec l’essor des technologies de l’information et de la communication (TIC), la section 15 n’a de cesse d’en faire innover et améliorer les matériaux. Dans ce domaine, le développement des technologies liées à l’optique et la photonique, comme les guides d’ondes, occasionne de nombreuses avancées. La raison tient au fait que le champ d’applications apparaît très vaste et plein de possibilités. 

Les matériaux multifonctionnels. Une dizaine de laboratoires de la section 15 oriente ses recherches vers les matériaux multiferroïques, c’est-à-dire les matériaux à la fois ferromagnétiques et ferroélectriques. À cela rien d’étonnant, car « le magnétisme et la ferroélectricité sont les deux piliers des technologies actuelles pour le stockage ». Le sujet a connu quelques découvertes grâce à l’utilisation des méthodes de synthèse et de caractérisation structurale.

L’étude des méta-matériaux et des cristaux photoniques laisse entrevoir de nouvelles perspectives pour les chimistes. L’élaboration de ces matériaux est certes complexe, car elle nécessite d’être pluridisciplinaire, toutefois elle peut aboutir à de nouvelles propriétés. « Les défis que se proposent de relever les chercheurs sont à la hauteur de la complexité des systèmes à construire : matériaux à indice de réfraction négatif pour super-lentilles, lasers sans seuil accordables, cavités photoniques bidimensionnelles formant des guides d’ondes planaires et bien d’autres applications en optique. »  Parmi les techniques permettant d’obtenir des structures méta-cristallines, on retrouve les techniques d’auto-assemblages naturels, orientés ou dirigés ainsi que la technique Langmuir-Blodgett.

Malgré le déclin progressif de la métallurgie en France, les chimistes, poussés à la fois par des institutions académiques et des industriels, s’ingénient encore à découvrir de nouveaux matériaux. Les acteurs du secteur métallurgique désirent tous plus ou moins la même chose : faire des économies d’énergie et préserver l’environnement. Pour ce faire, les matériaux sont allégés par divers procédés, les polluants remplacés. Encore une fois, la simulation sur ordinateur et la modélisation se sont révélés efficace.

Dans le domaine de la santé maintenant, les chimistes de la Section 15 s’emploient à créer de nouveaux matériaux et biomatériaux. « Ce domaine de recherche des «Matériaux pour la santé» concerne la conception, la synthèse et la caractérisation d’un champ très vaste de matériaux (isolant, semi- conducteur ou métallique ; cristallisé ou amorphe) de morphologie pouvant aller du massif au nano-objet. » Ainsi, cristaux scintillateurs, scintillateurs inorganiques, oxydes mixtes denses (LSO, LYSO) et céramiques transparentes font partie de ces matériaux particulièrement intéressants. Et la recherche s’articule aussi autour des films minces inorganiques, hybrides, méso structurés, nanostructurés ou à structures hiérarchisées car les applications dans le domaine de la santé sont nombreuses. Les nanomatériaux inorganiques s’avèrent particulièrement utile dans l’imagerie médicale. La thématique Biomatériaux, développée par les chimistes, offre de belles promesses. L’Homme vit plus longtemps mais ses tissus, ses organes, son corps dépérissent tout de même avec le temps. Voilà pourquoi le développement des matériaux synthétiques est si important. D’autant qu’ils présentent des avantages non négligeable tels que la diminution des risques d’infections, le faible coût, l’alternative à un prélèvement de greffon de soi… Enfin, l’un des derniers pans de la recherche s’appelle «Bio mimétisme et matériaux»; lorsque la nature est le modèle qui inspire les chercheurs. « Il s’agit de l’approche bio-inspirée du chimiste du solide. »

Par Sébastien Tribot, journaliste scientifique

• Voir le rapport du CNRS : ‘Chimie des matériaux Nanomatériaux et procédés’

Secteur de recherche en pleine expansion ces dernières années, les polymères capables d’auto-cicatriser guérissent en reformant les liens rompus, et ainsi le réseau macromoléculaire tridimensionnel, les structures réticulées. Cependant, ce processus nécessite généralement un stimulus extérieur, un élément permettant de catalyser la réparation : une tension d’entrée, de la chaleur, de la lumière, une pression extérieure, ou encore des conditions environnementales spécifiques telles qu’un niveau de pH particulier. Un polymère capable d’amener à son terme seul et de manière spontanée une guérison quantitative, sans la présence du moindre catalyseur, n’existait pas… jusqu’à présent.

Un groupe de chercheurs rattachés au Centre des technologies électrochimiques (CIDETEC), en Espagne, avait pourtant presque réussi à développer un élastomère en silicone auto-cicatrisant, s’appuyant sur des nanoparticules d’argent pour la réticulation. Malheureusement, il fallait tout de même appliquer une forte pression extérieure pour déclencher le processus d’auto-cicatrisation, et les très chères nanoparticules d’argent finirent d’enterrer tout espoir de commercialisation du polymère. Loin de déclarer forfait, le groupe de scientifiques espagnols, avec à sa tête le professeur Ibon Odriozola, est parvenu à ses fins : mettre au point un élastomère auto-cicatrisant à température ambiante, à partir de matériaux polymères communs en se basant sur une approche simple et peu onéreuse. Le chercheur espagnol insiste d’ailleurs sur l’importance d’utiliser des matériaux facilement disponibles dans le commerce pour le développement des futures applications industrielles.

« Le polymère se comporte comme s’il était vivant, entrant dans un processus de guérison constant », ajoute le professeur Ibon Odriozola, précisant que c’est pour cette raison qu’il a baptisé son poulain le polymère « Terminator », en hommage à la saga initiée par le réalisateur américain James Cameron, et plus précisément au deuxième opus de la série qui voit un méchant androïde T-1000 se liquéfier et se reformer rapidement.

Bien que coupé en deux par une lame de rasoir, le réseau élastomère du cylindre – un dérivé du polyuréthane – se ressoude à température ambiante, affichant un impressionnant taux de guérison de l’ordre de 97% au bout de deux heures, suffisant pour que le cylindre puisse résister aux assauts répétés de l’un des chercheurs, qui ne fait pourtant pas semblant de l’étirer.

Les applications de cette nouvelle classe de polymère sont très nombreuses : les rayures ou les cassures pourraient bien devenir de l’histoire ancienne pour les tablettes, les téléphones, les carrosseries de voiture ou encore bien d’autres objets du quotidien. Même la NASA étudie le dossier de près, afin de réduire drastiquement la dangerosité ainsi que les coûts de la maintenance de sa flottille de vaisseaux dans l’espace. Les Espagnols se penchent désormais sur un nouveau matériau aux propriétés équivalentes, mais moins gélatineux et plus dur que leur polymère Terminator.

Par Moonzur Rahman

La soie filée par les araignées – oui, la base de nos « vulgaires » toiles d’araignée –  pourrait bien tenir le haut du pavé dans un futur très proche… On lui connaissait déjà certaines propriétés, telles que la résistance, l’élasticité, la légèreté, et les chiffres sont éloquents : sa fibre présenterait une solidité équivalente à celle de l’acier tout en restant six fois plus légère, ainsi qu’une énergie de rupture six fois supérieure à celle du kevlar. Nous vous évoquions d’ailleurs ici, il y a près de deux ans, les travaux d’une équipe de scientifiques néerlandais explorant les moyens de développer une peau à l’épreuve des balles, en se tournant vers le lait de chèvres naines transgéniques, chèvres ayant reçu au préalable une séquence génétique provenant d’araignées codant pour la conception de leur soie.

Eden Steven, physicien de l’université de Florida State et membre du MagLab, a décidé d’étudier d’autres pistes sans pour autant faire table rase de nos connaissances en la matière : enrober la soie de l’araignée d’une fine épaisseur de nanotubes de carbone, connus pour leur résistance et leur dureté, mais également pour leur grande conductivité à la fois électrique et thermique. Ses travaux, publiés dans la revue scientifique à comité de lecture Nature Communications, pourraient bien faire souffler un vent nouveau sur le monde de l’électronique.

Dans un souci de simplicité assumée, le physicien est parti comme un grand à la recherche de la soie sous forme de… toiles d’araignées, disséminées ici et là au sein même du MagLab et dans un arbre situé près du laboratoire, à l’aide d’une tige en métal. Après quelques essais infructueux dans le but d’agglomérer les nanotubes de carbone à la précieuse soie d’araignée, Eden Steven parvint à ses fins avec l’aide de molécules d’eau.

Plutôt que d’ajouter un nouvel élément toxique, complexe, non-biodégradable et polluant à nos appareils modernes, le physicien s’est mis en tête d’explorer la piste d’un matériau vert, réagissant bien à l’humidité sans devoir passer par un traitement lourd ou des adjuvants chimiques. Il se trouve que la soie d’araignée est capable de supercontraction – allant jusqu’à 140 MPa de tension – lorsqu’elle s’humidifie, propriété permettant notamment aux toiles d’araignée de résister à la pluie ou encore au poids de la rosée.

Une fois la pelote de soie déroulée, « les nanotubes adhèrent uniformément à la surface de la soie d’araignée pour produire, après séchage et contraction, une fibre non seulement excellente conductrice, mais aussi plus résistante, flexible et sur-mesure », explique Eden Steven. La fibre obtenue peut alors servir de capteur d’humidité, de capteur de pression, d’actionneur ou tout simplement… de fil électrique. L’équipe de chercheurs a d’ores et déjà réussi à mettre au point un prototype d’électrode capable d’effectuer des mesures du rythme cardiaque. Affaire à suivre…

Par Moonzur Rahman