Un nouveau matériau surprenant qui élimine le plomb

La céramique de l’Institut Weizmann pourrait remplacer les composants électroniques à base de plomb.

La céramique produite dans le laboratoire du professeur Igor Lubomirsky à l’Institut Weizmann des Sciences semblait trop belle pour être vraie. Elle appartient à une classe de matériaux qui constituent l’épine dorsale de nombreuses technologies essentielles mais qui, malheureusement, posent également un problème environnemental car ils contiennent généralement du plomb, qui est hautement toxique. L’aspect surprenant de la céramique de Weizmann était qu’elle pouvait être aussi performante que d’autres matériaux de cette catégorie tout en étant totalement non toxique.

Le nouveau matériau appartient à une catégorie de substances qui se déforment lorsqu’elles sont exposées à un champ électrique, subissant des tensions et des contraintes qui sont largement exploitées dans une série d’appareils pour produire des mouvements minuscules et précis. Dans les téléphones portables, par exemple, la légère déformation induite par la tension peut déclencher le processus de charge ou déplacer l’objectif pour créer une mise au point automatique. Dans les imprimantes industrielles à jet d’encre, une plaque se déforme lorsqu’une tension est appliquée, éjectant une quantité contrôlée d’encre.

(de gauche à droite) Sergey Khodorov, Maxim Varenik, David Ehre et Prof. Igor Lubomirsky.
(de gauche à droite) Sergey Khodorov, Maxim Varenik, David Ehre et Prof.  Igor Lubomirsky.

À l’heure actuelle, les matériaux qui subissent de telles déformations – on les appelle électrostricteurs ou piézoélectriques, selon le mécanisme sous-jacent – constituent une source importante de pollution par le plomb. Les composants électrostrictifs et piézoélectriques étant généralement trop petits pour être recyclés, des tonnes de plomb finissent régulièrement dans les décharges. Bien que le plomb ait été progressivement éliminé de la plupart des autres applications dans le monde occidental, ces matériaux sont tellement indispensables que leur utilisation continue d’être autorisée. Les matériaux piézoélectriques, par exemple, constituent un marché mondial annuel de plus de 20 milliards de dollars.

Les tentatives précédentes des scientifiques du monde entier pour produire des matériaux électrostrictifs ou piézoélectriques sans plomb n’ont connu qu’un succès marginal : certains sont trop réactifs chimiquement, d’autres trop difficiles à fabriquer. En revanche, la substance de Weizmann – de l’oxyde de cérium mélangé à environ 10 % d’oxyde de zirconium – est inerte et simple à fabriquer. Mais son principal avantage potentiel réside peut-être dans le fait que, par rapport aux matériaux actuellement utilisés, elle peut produire la même déformation tout en ayant une constante diélectrique beaucoup plus faible, ce qui signifie qu’elle stocke moins de charge électrique, c’est-à-dire qu’elle nécessite moins d’énergie pour effectuer le même travail.

En outre, les matériaux de base de la nouvelle céramique sont bon marché et facilement disponibles. Le cérium et le zirconium sont relativement abondants dans la croûte terrestre et sont exploités dans toute la planète pour diverses applications industrielles. L’oxyde de cérium, par exemple, est couramment utilisé sous forme de poudre pour polir les lentilles et comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques, des dispositifs qui réduisent les émissions nocives dans les voitures.

La céramique de Weizmann pourrait donc constituer une alternative intéressante et respectueuse de l’environnement aux matériaux électrostrictifs ou piézoélectriques existants. Mais lorsque  le Prof. Lubomirsky a entamé, il y a plus de dix ans, les recherches qui allaient aboutir à sa découverte, les applications pratiques étaient loin de lui venir à l’esprit. Son équipe avait découvert que, dans certaines circonstances, les propriétés mécaniques de l’oxyde de cérium – à l’état pur et avec des impuretés – ne correspondaient pas à l’image classique. L’effet électrostrictif était environ 100 fois plus fort que ce que prévoyait la théorie prédominante mais  encore trop faible pour avoir une utilité pratique. Cet effet a intrigué l’équipe qui  a continué à l’étudier.

Déchets électroniques. Un casse-tête environnemental majeur
Déchets électroniques. Un casse-tête environnemental majeur

Il y a environ trois ans, Maxim Varenik, doctorant dans le laboratoire du Prof.  Lubomirsky, a réalisé une expérience qui a donné des résultats surprenants. Il a introduit des impuretés trivalentes – des atomes ayant une valence chimique de trois, c’est-à-dire possédant trois électrons dans leur orbite extérieure – dans le cérium. Lorsqu’il a appliqué une tension aux substances obtenues, il a remarqué un phénomène intéressant et régulier : plus les atomes insérés étaient petits, plus l’électrostriction était importante. L’augmentation de l’électrostriction s’étant produite le long d’une ligne droite très nette, il était curieux de poursuivre ses expériences avec des atomes de plus en plus petits. Cependant, il a fini par manquer d’impuretés trivalentes ; aucune des plus petites qu’il avait déjà essayées ne pouvait être dissoute dans l’oxyde de cérium.

Maxim Varenik a alors décidé d’introduire du zirconium, la substance habituellement utilisée dans les convertisseurs catalytiques, même si son orbite externe comporte quatre électrons au lieu de trois. À sa grande surprise et à celle de tous les autres, l’électrostriction du matériau qu’il a créé n’a pas augmenté d’un cran, comme cela s’était produit avec les autres matériaux expérimentaux. Au contraire, elle a été multipliée par deux.

Prof. Lubomirsky (à gauche) et Maxim Varenik. La déformation souhaitée
Prof. Lubomirsky (à gauche) et Maxim Varenik. La déformation souhaitée

« Pendant une dizaine d’années, nous avons étudié un matériau considéré comme totalement inutile – nous l’avons fait par curiosité scientifique », explique le Prof. Lubomirsky. « Aujourd’hui, nous avons soudainement obtenu un matériau avec des applications potentielles dans le domaine de l’ingénierie. Les déformations et les contraintes produites en son sein par la tension sont comparables à celles observées dans les meilleurs matériaux commerciaux ».

En plus d’explorer les propriétés qui pourraient rendre leur céramique intéressante pour une utilisation industrielle, les scientifiques du laboratoire du Prof.  Lubomirsky tentent d’expliquer pourquoi ses performances électrostrictives étaient si éloignées des tableaux classiques. « Ce n’est pas un animal que nous avons déjà vu dans notre zoo », explique le Prof.  Lubomirsky.

Depuis la découverte de cette électrostriction non classique, l’équipe du Prof.  Lubomirsky l’étudie en collaboration avec le professeur Anatoly Frenkel de l’université de Stony Brook, l’un des plus grands experts mondiaux d’un type de spectroscopie connu sous le nom d’EXAFS. Récemment, ils ont été rejoints dans cette recherche par le professeur Yue Qi, théoricien à l’université de Brown. Leur tâche est cependant loin d’être achevée. « Nous ne comprenons pas encore tout à fait ce qui se passe dans ce matériau », déclare le Prof. Lubomirsky, “mais c’est précisément ce qui le rend intéressant”.

 

La Science en chiffres

Le plomb est le deuxième métal le plus toxique, après l’arsenic. Il n’existe pas de taux de plomb dans le sang qui soit sans danger ; un taux de 3,5 μg/dL chez les enfants nécessite une intervention rapide pour éviter des effets graves sur la santé. Selon les Centers for Disease Control des États-Unis, 2,5 % des enfants américains âgés de 1 à 5 ans ont une plombémie égale ou supérieure à cette valeur.



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