Des chercheurs de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues autrichiens, rapportent que la tétrataenite, un « aimant cosmique » qui met des millions d’années à se développer naturellement dans les météorites, peut potentiellement être utilisée à la place des terres rares dans les aimants.
Auparavant, les tentatives de fabrication de tétrataenite en laboratoire dépendaient de méthodes extrêmes et peu pratiques, mais les chercheurs affirment avoir trouvé un moyen de contourner ces techniques antérieures en utilisant du phosphore. Dans un article de recherche publié dans la revue Sciences avancéesils suggèrent qu’il existe une possibilité de produire de la tétrataenite artificiellement et à grande échelle sans aucun traitement spécialisé ni techniques coûteuses.
« Terre rare » est un terme trompeur qui est une sorte de blague parmi les aficionados de la chimie organique. Il fait référence à un groupe d’éléments du tableau périodique. « Gaz nobles » est un autre terme qui a peu de sens, sauf pour les chimistes organiques. En vérité, les éléments de «terres rares» ne sont pas si rares dans le grand schéma des choses, mais les extraire et les purifier est un défi.
Matériaux de terres rares et aimants permanents
La vraie raison pour laquelle cette nouvelle est importante est que les matériaux de terres rares sont essentiels à la fabrication des aimants permanents qui sont un composant essentiel des moteurs électriques dont dépend la transition vers une économie sans émissions.
Le point de friction est que la Chine, avec sa prédilection pour dominer tant de processus de fabrication de véhicules électriques, de panneaux solaires et d’autres technologies critiques nécessaires pour faire face à une planète en surchauffe, contrôle plus de 80 % du marché mondial des éléments de terres rares.
Nous connaissons le danger de laisser des tyrans en Arabie saoudite et en Russie contrôler notre accès aux combustibles fossiles. Cette expérience suggère que laisser la Chine être le gardien des nouvelles technologies dont nous avons besoin pour ne plus dépendre des combustibles fossiles pourrait être tout aussi dangereux à l’avenir.
Le professeur Lindsay Greer du département de science des matériaux et de métallurgie de l’Université de Cambridge raconte Réseau d’actualités sur l’innovation, « Des gisements de terres rares existent ailleurs, mais les opérations minières sont très perturbatrices, car il faut extraire une énorme quantité de matière pour obtenir un petit volume de terres rares. Entre les impacts environnementaux et la forte dépendance à l’égard de la Chine, il y a eu une recherche urgente de matériaux alternatifs qui ne nécessitent pas de terres rares.
L’une des alternatives les plus prometteuses pour les aimants permanents est la tétrataenite, un alliage fer-nickel à structure atomique ordonnée. Le matériau se forme sur des millions d’années à mesure qu’une météorite se refroidit lentement. Cela offre aux atomes de fer et de nickel suffisamment de temps pour s’ordonner dans une séquence d’empilement particulière au sein de la structure cristalline, ce qui donne un matériau aux propriétés magnétiques similaires à celles des aimants de terres rares.
Dans les années 1960, la tétrataenite a été artificiellement formée en dynamitant des alliages fer-nickel avec des neutrons, ce qui a permis aux atomes de former l’empilement ordonné souhaité. Cependant, cette technique est inadaptée à la production de masse. « Depuis lors, les scientifiques ont été fascinés par l’obtention de cette structure ordonnée, mais cela a toujours semblé être quelque chose de très éloigné », déclare Greer.
Au fil des ans, de nombreux scientifiques ont tenté de fabriquer de la tétrataenite à l’échelle industrielle, mais les résultats ont été décevants. Aujourd’hui, Greer et ses collègues de l’Académie autrichienne des sciences et de la Montanuniversität de Leoben ont trouvé une alternative potentielle qui évite ces méthodes extrêmes.
Regarder de plus près
L’équipe a étudié les propriétés mécaniques des alliages fer-nickel contenant de petites quantités de phosphore, présent dans les météorites. À l’intérieur de ces matériaux se trouvaient un motif de phases qui indiquait la structure de croissance attendue en forme d’arbre appelée dendrites.
« Pour la plupart des gens, cela se serait terminé là : rien d’intéressant à voir dans les dendrites, mais quand j’ai regardé de plus près, j’ai vu un motif de diffraction intéressant indiquant une structure atomique ordonnée », a déclaré le premier auteur, le Dr Yurii Ivanov, qui a terminé le travail tout en à Cambridge et est maintenant basé à l’Institut italien de technologie de Gênes.
Initialement, le diagramme de diffraction de la tétrataenite ressemble à la structure attendue pour les alliages fer-nickel, à savoir un cristal désordonné sans intérêt en tant qu’aimant haute performance. Mais quand Ivanov a regardé de plus près, il a identifié la tétrataenite.
Selon l’équipe, le phosphore permet aux atomes de fer et de nickel de se déplacer plus rapidement, leur permettant de former l’empilement ordonné nécessaire sans attendre des millions d’années. Ils ont pu accélérer la formation de tétrataenite de 11 à 15 ordres de grandeur en mélangeant du fer, du nickel et du phosphore dans les bonnes quantités. Cela signifiait que le matériau pouvait se former en quelques secondes lors d’une simple coulée.
« Ce qui était si étonnant, c’est qu’aucun traitement spécial n’était nécessaire. Nous avons juste fait fondre l’alliage, l’avons versé dans un moule et nous avons eu de la tétrataenite », explique Greer. « L’opinion précédente sur le terrain était que vous ne pouviez pas obtenir de tétrataenite à moins de faire quelque chose d’extrême, car sinon, il faudrait attendre des millions d’années pour qu’elle se forme. Ce résultat représente un changement total dans la façon dont nous pensons à ce matériau.
Bien que la recherche soit prometteuse, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour décider s’il conviendra aux aimants à haute performance. L’équipe espère collaborer avec les principaux fabricants d’aimants pour déterminer cela.
Les plats à emporter
Pourquoi écrivons-nous sur des sujets qui ne sont pas encore sortis du stade du laboratoire ? Parce que les percées qui se produisent dans les laboratoires du monde entier aujourd’hui seront essentielles à la transition de la combustion des combustibles fossiles comme base de l’économie mondiale et de l’existence humaine.
De nouveaux types de batteries plus légères, plus puissantes, plus rapides à charger, moins chères et plus respectueuses de l’environnement sont en cours de recherche dans des centaines de laboratoires à travers le monde pendant que vous lisez ceci. Nous ne savons pas où les percées se produiront, mais nous savons qu’elles viendront, tout comme ces premiers moteurs à essence et diesel à combustion interne bruts sont devenus les machines ultra-sophistiquées qui propulsent des centaines de millions de véhicules aujourd’hui.
Il existe des moteurs électriques qui ne reposent pas sur des aimants permanents, mais en général, ils sont plus coûteux que les moteurs à aimants permanents. S’il existe un moyen de dupliquer leurs performances avec des matériaux peu coûteux qui sont facilement disponibles pour tous les fabricants sans qu’un pays ne domine la chaîne d’approvisionnement, c’est une bonne nouvelle pour nous tous.
Il y a de fortes chances que d’ici 2030, les voitures électriques aient fait un bond en avant alors que de plus en plus de nouvelles innovations deviennent disponibles sur le marché. Nous ne pouvons pas attendre !
L’image sélectionnée: Tétrataenite, par Rob Lavinsky (CC BY-SA 3.0)
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