Le désordre dans le cristal
Un appareil de synthèse spécial peut tester de nombreux mélanges chimiques les uns après les autres, comme sur une chaîne de montage
Les cristaux composés d'éléments mélangés de manière aléatoire - appelés matériaux à haute entropie - suscitent actuellement un intérêt scientifique croissant. Leur avantage: ils sont particulièrement stables jusqu'à des températures extrêmement élevées et pourraient être utilisés pour le stockage énergétique et des processus chimiques. Une équipe de l'Empa produit et étudie ces mystérieux matériaux céramiques, qui ne sont connus que depuis 2015.
Au fil de l’eau : Dans chacune des gouttelettes se forme un mélange chimique différent – dans des conditions marginales exactement identiques.
Empa
La nature tend vers le désordre. C'est une belle phrase réconfortante quand une tasse de café s'est à nouveau renversée sur le clavier de l'ordinateur et que l'on rêve pouvoir souhaiter que le liquide sucré et laiteux retournerait dans la tasse de café - où il se trouvait encore quelques secondes auparavant. Mais il n'est pas question de faire des souhaits, car, comme nous l'avions dit, la nature tend vers le désordre.
Les scientifiques ont inventé le terme d'entropie pour décrire cet effet - une mesure du désordre. Dans la plupart des cas, si le désordre augmente, les processus se déroulent spontanément et le retour à l'ordre qui régnait auparavant est bloqué. Voir la tasse de café qui se renverse. Les centrales thermiques, qui produisent un énorme nuage de vapeur au-dessus de leur tour de refroidissement à partir d'une bonne pile de bois ou d'un tas de houille, fonctionnent-elles aussi sous l'effet de l'entropie. Le désordre augmente de manière spectaculaire dans de nombreux processus de combustion - et l'homme en profite pour pomper un peu d'énergie sous forme d'électricité dans ce processus pour ses propres besoins.
Entropie stabilisée ?
Les cristaux sont considérés comme le contraire pur et simple du désordre. Dans une structure cristalline, tous les éléments du réseau sont bien rangés les uns à côté des autres dans le plus petit volume possible. L'idée que l'on puisse stabiliser les cristaux par la force de l'entropie et créer ainsi une nouvelle classe de matériaux est donc d'autant plus bizarre.
Les matériaux stabilisés par entropie sont un domaine de recherche encore jeune. Les premiers pas ont été faits en 2004 avec les alliages à haute entropie, c'est-à-dire un mix de cinq éléments ou plus qui peuvent être mélangés entre eux. Lorsque le mélange réussit et que tous les éléments sont répartis de manière homogène, des propriétés particulières apparaissent parfois, qui ne proviennent pas des différents ingrédients, mais naissent de leur mélange. Les scientifiques appellent cela les "effets cocktail".
Le chaos règne
Depuis 2015, on sait que même les cristaux de céramique peuvent être stabilisés par la "force du désordre". Ainsi, même des éléments surdimensionnés ou trop petits s'adaptent au cristal, ce qui le détruirait normalement. L'équipe de chercheurs de l'Empa a déjà réussi à insérer neuf atomes différents dans un cristal. L'avantage : même à des températures élevées, ils restent stables - car un "réarrangement" conduirait à un plus grand ordre. La quête naturelle d'un désordre maximal stabilise donc la structure cristalline inhabituelle - et donc l'ensemble du matériau.
"Jusqu'à quatre composants dans un cristal, tout est encore normal, mais à partir de cinq composants, le monde change", explique Michael Stuer, chercheur dans le département "High Performance Ceramics" de l'Empa. Depuis que ce chercheur, qui a grandi au Luxembourg, est arrivé à l'Empa en 2019, il travaille dans le domaine de recherche des cristaux à haute entropie. "Cette classe de matériaux nous ouvre une multitude de nouvelles opportunités", explique Stuer. "Nous pouvons stabiliser des cristaux qui, sinon, se désintégreraient en raison de tensions internes. Et nous pouvons créer des surfaces cristallines très actives qui n'ont jamais existé auparavant et rechercher des effets cocktail intéressants".
Avec sa collègue Amy Knorpp, Stuer se lance à présent sur la voie de l'inconnu. Tous deux sont des spécialistes de la fabrication de poudre de cristaux fins et ils ont des collègues à l'Empa pour l'analyse des rayons X et des surfaces afin de caractériser précisément les échantillons fabriqués. Avec leur aide, Michael Stuer veut désormais jouer les premiers rôles sur la scène internationale. "Le nombre de publications sur le thème des cristaux à haute entropie augmente actuellement très fortement. Et nous voulons en faire partie dès le début", explique le chercheur.
Des îlots de connaissances
Il faut maintenant une approche systématique, des connaissances spécialisées et une bonne dose de persévérance. Par où commencer ? Quelle est la direction à prendre ? "Pour le moment, il n'existe pas encore d'expertise cohérente, ni de vue d'ensemble complète de ce nouveau domaine de recherche", explique Stuer. "Différents groupes de recherche dans le monde travaillent sur des projets limités. C'est ainsi que se forment des îlots de connaissances isolés qui devront converger au cours des prochaines années".
Michel Stuer et Amy Knorpp se concentrent sur les matériaux catalytiquement actifs. La réaction chimique à laquelle ils s'intéressent concerne la combinaison de CO2 et d'hydrogène pour former du méthane. Il s'agit donc de transformer un gaz à effet de serre en un combustible durable et stockable. "Nous savons que les molécules de CO2 s'adsorbent particulièrement bien sur certaines surfaces et que la réaction souhaitée se produit alors plus facilement et plus rapidement", explique Amy Knorpp. "Nous essayons maintenant de fabriquer des cristaux entropiques dont les surfaces comportent de telles zones hautement actives".
Des mélanges à la chaîne
Pour progresser plus rapidement, les chercheurs ont construit, avec l'aide de l'atelier de l'Empa, un appareil de synthèse spécial dans lequel de nombreux mélanges chimiques peuvent être testés les uns après les autres, comme sur une chaîne de montage. Dans le "réacteur tubulaire à flux segmenté", de petites bulles traversent un tuyau dans lequel se déroule la réaction en question. À la fin, les bulles sont vidées et la poudre qu'elles contiennent peut-être transformée.
"Le 'réacteur tubulaire à flux segmenté' présente un énorme avantage pour nous : toutes les bulles ont la même taille, c'est pourquoi nous avions toujours des conditions limites idéales et constantes pour nos synthèses", explique Stuer. "Si nous avons besoin de plus grandes quantités d'un mélange particulièrement prometteur, nous produisons simplement plusieurs bulles avec le même mélange l'une après l'autre".
Les fenêtres du bon côté
La poudre est ensuite transformée en fins cristaux de taille et forme souhaitées par différents procédés de séchage. "Les cristaux sont comme des maisons, ils ont des murs extérieurs fermés et d'autres avec des fenêtres", explique Michael Stuer. Parfois, la forme du cristal indique déjà le côté fenêtre. C'est le cas lorsqu'un mélange forme des cristaux en forme d'aiguille. "Les côtés longs de l'aiguille sont ceux qui ont le moins d'énergie. Il ne s'y passe pas grand-chose. En revanche, les bords des cristaux à l'extrémité de l'aiguille sont très énergétiques. C'est là que ça devient intéressant", explique Stuer.
Pour leur premier grand projet, les chercheurs de l'Empa se sont associés à des collègues de l'Institut Paul Scherrer (PSI). Ceux-ci étudient dans un réacteur expérimental la méthanisation possible du CO2 provenant d'installations de biogaz et de stations d'épuration. Les chercheurs du PSI ont déjà acquis de l'expérience avec différents catalyseurs et se heurtent toujours à un problème : le catalyseur à la surface duquel se produit la réaction chimique s'affaiblit avec le temps. Cela est dû au fait que des parts de soufre dans le biogaz encrassent la surface ou que les surfaces des catalyseurs se transforment chimiquement à des températures élevées.
Les chercheurs cherchent ici à faire une percée à l'aide de cristaux entropiques ; car ceux-ci ne se réorganisent pas, même à des températures élevées - ils sont en effet stabilisés par le désordre. "Nous nourrissons l'espoir que nos cristaux tiennent plus longtemps dans le processus et qu'ils soient éventuellement moins sensibles à la pollution par le soufre", explique Stuer.
Dessiner une carte
Après cela, les spécialistes des cristaux de l'Empa seront prêts à relever d'autres défis : par exemple des batteries haute performance, des céramiques supraconductrices ou des catalyseurs pour les gaz d'échappement des voitures et d'autres processus chimiques. "C'est une forêt obscure dans laquelle nous nous enfonçons", dit Amy Knorpp. "Mais nous avons une idée de la direction vers laquelle se diriger pour trouver quelque chose. Nous dessinons maintenant une carte de ces systèmes. Quelque part là-dedans, pensons-nous, se cache un coffre à trésor plein de découvertes".
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