Les matériaux de l'avenir

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    08-Mar-2016
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Recherches à l'Institut Paul Scherrer

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  • Les matriaux de lavenirRecherches lInstitut Paul Scherrer

  • A lInstitut Paul Scherrer PSI, les chantillons de matriaux, comme ici les polymres conducteurs, le matriau de dpart pour la fabrication de LED, cellules photovoltaques et transistors, sont par exemple exami-ns laide de rayons X.

  • 3Table des matires

    5 Lesmatriauxdfinissent le progrs 6 Rayons X comme microscope 6 Catalyseurs acclrent 7 Horizon de long terme 7 Observer les ractions

    8 Batteries aux ions de lithium 8 Dure de vie limite 9 Combinaison unique

    10 Piles combustible pour lautomobile 10 Membrane sparatrice en plastique 11 Imagerie neutronique

    12 Catalyseurs pour nergie et environnement 12 De la centrale lectrique lautomobile 13 Lavenir est aux bionergies

    14 Vieillissement daciers 15 Lacier dans les centrales nuclaires 15 Leau de refroidissement doit tre propre

    16 Sauvegarde dinformations 17 Matriaux magntiques 17 Structures ultra-minces

    18 Spintronique pour ordinateurs rapides 18 Le spin vhicule linformation 19 Assez lents uniquement au PSI

    20 Les cbles de lavenir 20 Utilisation de supraconducteurs 21 A la poursuite du phnomne

    22 Aimants sous tension 22 Combiner les caractristiques 23 La recherche ne est quau dbut

    24 Les dtails intrieurs sont importants 25 Cration de cristaux parfaits 25 Matriaux en couches minces apportent de laide

    26 Les outils de la science 26 Lumire synchrotron 27 Neutrons 28 Muons 29 SwissFEL

    31 Le PSI en bref 31 Impressum 31 Contacts

    Page de couvertureLa future grande installation de recherche SwissFEL donnera au PSI la possibilit dutiliser des expri-mentations totalement indites pour ses tudes de matriaux.

  • 4La manire dont les domaines ma-gntiques sont arrangs dans le matriau est dune importance capi-tale pour la sauvegarde de donnes informatiques. Pour photographier ces domaines, des petites zones dun matriau, les chercheurs au PSI se servent du microscope lectro-nique photomission.

  • 5La prhistoire est classe en ge de pierre, de bronze et du fer. Chaque dcouverte dun nouveau matriau marquait une tape du dveloppement de lhumanit. Pour dvelopper aujourdhui une puce lectronique ou une batterie rechargeable pour voitures lectriques, une bonne connaissance des matriaux est indispensable. Les chercheurs du PSI examinent la structure des matriaux dans ses plus petits dtails, les atomes. Cest ainsi que la recherche fondamentale daujourdhui est la base des technologies de demain.

    Le matriau naturel le plus dur sur terre est le diamant. Le graphite par contre est tellement effritable quil sert la fabrication de mines de crayons. En crivant, la fine couche de graphite est frotte par le papier. Pourtant, diamant et graphite sont composs du mme lment chimique, le carbone. Au

    dix-huitime sicle, personne ny croyait encore. Ce nest quen 1796 que le chimiste anglais, Smithson Tennant, en faisant brler un diamant, dcouvrit le dioxyde de carbone (CO2) comme unique produit de la combustion, cest--dire le mme gaz que celui de la combustion du graphite.

    La diffrence entre ces deux subs-tances provient des forces de liaison entre les atomes du matriau. Les lec-trons des atomes sont responsables des forces de liaison dans les mat-riaux et dterminent les caractris-tiques du matriau. Et ceci se reflte dans la structure. A lintrieur du dia-mant, les atomes du carbone se relient rigidement dans toutes les directions Par contre, dans le graphite, les atomes sont fortement lis dans une couche, mais faiblement lis entre couches succesives. Larrangement des atomes dans le graphite ressemble celui des ardoises sur un toit. En consquence, il est facile deffriter le graphite. Tennant ne le savait pas encore, car les atomes sont invisibles pour un micros-cope ordinaire. Ce nest quaprs la dcouverte des rayons X que les scien-tifiques commencrent examiner les matriaux plus en dtail. Quand les rayons X heurtent un matriau, ils sont

    Lesmatriauxdfinissent le progrs

    Graphite

    Matriau mou

    Diamant

    Matriau trs dur

    Carbone pur C

    Bien quils aient de caractristiques trs diffrentes, le graphite (la mine du crayon) et le diamant sont tous deux en carbone. La diffrence ne provient que de la liaison entre les atomes, cest--dire dans la structure du mat-riel. 1 nm (Nanomtre) correspond un millionime de millimtre.

  • 6dvis dans de multiples directions par la structure atomique du matriau. Limage forme permet de dterminer la disposition des atomes, cest--dire la structure du matriau.

    Rayons X comme microscope

    Le PSI tudie encore aujourdhui les matriaux laide de rayons X. Lappa-reil est nanmoins plus volumineux que celui du dentiste. Le microscope aux rayons X du PSI, le collisionneur de lacclrateur de particules, nomm SLS ou Source de Lumire Suisse, pos-sde une circonfrence de prs de 300 mtres et est suffisamment puissant pour discerner les structures de matire au niveau atomique. Les rayons X ou la lumire Rntgen ne convient toutefois pas ltude de tous les matriaux. Dans une autre grande installation de recherche, les chantillons sont expo-ss au tir de neutrons pour tudier leur structure. La majorit des mtaux freine normment les rayons X, mais certains sont quasiment transparents aux neu-trons. En revanche, leau freine les neu-trons. La particule la plus exotique,

    utilise au PSI pour la recherche des proprits des matriaux, est le muon. Il se prte notamment la recherche sur les matriaux magntiques. LInstitut Paul Scherrer est lun de deux instituts de recherche au monde disposant sur le mme site de trois sources: lumire aux rayons X, neutrons et muons.Les scientifiques du monde entier viennent en Suisse pour tudier au PSI leurs chantillons de matriaux. Les projets de recherche actuels portent notamment sur les nouvelles sources dnergie. Il est par exemple urgent damliorer la capacit des batteries aux ions de lithium, utilises dans les voi-tures lectriques. Les matriaux pour ces batteries ou accumulateurs de la gnration suivante sont tests au PSI dans le but daugmenter aussi bien lautonomie des vhicules lectriques que la dure de vie des batteries. Cela ne signifie pourtant pas que le PSI cherche fabriquer ou vendre ces nouvelles batteries. Nos laboratoires nexaminent souvent que de toutes pe-tites quantits, destines au dvelop-pement de nouveaux matriaux. La fa-brication de nouvelles batteries reste laffaire de lindustrie.

    Catalyseurs acclrent

    Un autre exemple issu de lindustrie automobile est le catalyseur quipant le pot dchappement. Outre le mo-noxyde de carbone, la combustion d-gage des dioxydes dazote et de souffre qui donnent les pluies acides. Avant que ces gaz nocifs ne quittent le pot dchappement, le catalyseur les convertit en gaz inoffensifs pour lenvi-ronnement. Grce au catalyseur des vhicules, associ au prtraitement catalytique des carburants, les pluies acides ont pu tre limines en Suisse et dans une grande partie dEurope. La gnration courante de catalyseurs uti-lise les terres rares et les mtaux pr-cieux comme le platine. La raret de ces composants contribue au cot lev des catalyseurs courants. Le PSI sef-force de trouver des catalyseurs dont les composants sont moins coteux. Mais lutilisation de catalyseurs ne se limite pas aux voitures. Les catalyseurs sont des substances dont la prsence acclre certaines ractions chimiques sans que le matriau du catalyseur ne soit consomm. On les trouve dans de nombreux processus chimiques. Ils

    Des scientifiques du PSI devant une installation permettant de fabriquer de minces couches de divers mat-riaux laide dun laser.

  • 7sont mme utiliss dans une mthode largement rpandue pour la fabrication de diamants industriels. Lindustrie a en effet besoin de diamants pour cou-per, alser et meuler. Sous pression et temprature leves, il est possible de transformer le graphite en diamant. En prsence dun catalyseur, le processus se droule des pressions et temp-ratures moins leves. La fabrication est moins nergivore et devient plus conomique.

    Horizon de long terme

    Ces exemples de recherches sur les matriaux ont pour objectif lamliora-tion dun produit ou processus de fa-brication existants. Les techno logies permettent la ralisation dun produit mettre sur le march, mme si lache-teur doit parfois encore attendre des annes pour que le produit soit dispo-nible. Dans dautres projets de re-cherche, les scientifiques ne soc-cupent pas encore de produits concrets, mais explorent leurs ides pour lutilisation future dun nouveau matriau. Ils travaillent dans la re-cherche fondamentale dont nous ci-tons le graphne. Comme le diamant et le graphite, ce matriau nest com-pos que de carbone, mais arrang dans une structure unique. Le graphne na quune seule couche datomes. Cette couche a une haute rsistance au dchirement, cent fois plus leve que celle de lacier. Et les lectrons sy dplacent une vitesse telle quune puce base de graphne pourrait tre entre dix et cent fois plus rapide que les processeurs actuels.

    Mais il est encore incertain si lordina-teur au graphne est ralisable. Pour linstant, les scientifiques cherchent fabriquer un transistor au graphne. Un processeur dordinateur courant possde quelques milliards de transis-tors. Dans la recherche des matriaux, il y a souvent des dcennies entre lide et le produit. Un exemple: les transis-tors des circuits intgrs de nos ordi-nateurs ont t mis au point dans les annes 1950.

    Observer les ractions

    Observer en temps rel la modification de la structure ou la position datomes composant un matriau est lune des choses que les chercheurs du PSI ne savent pas encore faire. Ils rvent par exemple reproduire la photosynthse au laboratoire. Les plantes nous montrent comment utiliser lnergie de

    la lumire du soleil. Mais les ractions chimi