Des chercheurs ont découvert une nouvelle méthode pour produire des aimants haute performance utilisés dans les éoliennes et les voitures électriques presque exclusivement en Chine sans utiliser d’éléments de terres rares.
Une équipe de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues autrichiens, a trouvé une nouvelle alternative aux aimants de terres rares : la tétrataenite, un “aimant spatial” qui met des millions d’années à se former naturellement dans les météorites.
Les tentatives précédentes de fabrication de tétrathanite en laboratoire reposaient sur des méthodes très peu pratiques. Mais l’ajout d’un élément commun, le phosphore, signifie que la tétrathanite peut être fabriquée artificiellement et à grande échelle sans traitement spécial ni techniques coûteuses.
Les résultats ont été publiés dans la revue Sciences avancées. Cambridge Enterprise, la branche commerciale de l’université, et l’Académie autrichienne des sciences ont déposé une demande de brevet pour la technologie.
Les aimants à haute performance sont une technologie importante pour une économie sans carbone, et les meilleurs aimants permanents contiennent aujourd’hui des éléments de terres rares. Malgré son nom, les éléments de terres rares sont abondants à la surface de la terre. Or, la Chine détient un quasi-monopole sur la production mondiale : 81 % des métaux rares mondiaux provenaient de Chine en 2017. D’autres pays, comme l’Australie, exploitent également ces éléments, mais on craint que les approvisionnements en terres rares ne soient menacés à mesure que les tensions géopolitiques avec la Chine augmentent.
Le professeur Lindsay Greer, du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie de Cambridge, a déclaré : « Des gisements de terres rares existent ailleurs, mais le processus d’extraction est très perturbateur : pour obtenir une petite quantité d’un élément rare, il faut extraire une énorme quantité de matière. ” rechercher. étude. “Entre l’impact environnemental et la forte dépendance vis-à-vis de la Chine, il y a une recherche urgente de matériaux alternatifs qui ne nécessitent pas d’éléments de terres rares.”
La tétrathanite, un alliage fer-nickel avec une structure atomique ordonnée distincte, est l’une des plus prometteuses de ces alternatives. La tétrathanite se forme sur des millions d’années à mesure que la météorite se refroidit lentement, donnant aux atomes de fer et de nickel suffisamment de temps pour s’empiler dans un ordre spécifique au sein de la structure cristalline, ce qui donne un matériau aux propriétés magnétiques similaires aux aimants de terres rares.
Dans les années 1960, les scientifiques ont pu créer artificiellement de la tétrathanite en bombardant un alliage fer-nickel avec des neutrons, permettant aux atomes de former le garnissage séquentiel souhaité, mais la technique n’était pas adaptée à la production de masse.
“Depuis lors, les scientifiques ont été fascinés par cette structure ordonnée, mais elle a toujours semblé si lointaine”, a déclaré Greer. Malgré de nombreuses tentatives au fil des ans, il est toujours impossible de produire de la tétrathanite à une échelle industrielle.
Aujourd’hui, Greer et ses collègues de l’Académie autrichienne des sciences et de l’Université du Montana Leoben ont trouvé une alternative possible qui ne nécessite pas des millions d’années de refroidissement ou de rayonnement neutronique.
L’équipe a étudié les propriétés mécaniques d’un alliage fer-nickel qui contient de petites quantités de phosphore, que l’on trouve également dans les météorites. Les diagrammes de phase au sein de ces matériaux montrent des structures de croissance arborescentes appelées dendrites.
“Pour la plupart des gens, ce serait la fin : rien d’intéressant n’était visible dans les dendrites, mais quand j’ai regardé de près, j’ai vu un motif de diffraction intéressant qui montrait une structure atomique ordonnée”, a déclaré le Dr Yuri Ivanov, le premier auteur. du travail. Cambridge, maintenant basé à l’Institut italien de technologie de Gênes.
À première vue, le diagramme de diffraction de la tétrathanite ressemble à la structure d’un alliage fer-nickel, c’est-à-dire un cristal désordonné qui n’attire pas un aimant performant. Ivanov a effectué une analyse détaillée pour identifier la tétrathénite, mais Greer a déclaré qu’il était étrange que personne ne l’ait remarqué.
Selon les chercheurs, le phosphore contenu dans les météorites permet aux atomes de fer et de nickel de se déplacer plus rapidement, sans attendre des millions d’années pour former les empilements ordonnés nécessaires. En mélangeant la bonne quantité de fer, de nickel et de phosphore, ils accélèrent la formation de tétrathanite d’un ordre de 11 à 15 points, se formant en quelques secondes par coulée.
“Ce qui est étonnant, c’est qu’aucun traitement spécial n’était nécessaire : nous avons fait fondre l’alliage, l’avons versé dans un moule et nous avons eu de la tétrathanite”, a déclaré Greer. “Dans le passé, il y avait une opinion selon laquelle à moins que quelque chose de spécial ne soit fait dans ce domaine, il était impossible d’obtenir de la tétrathanite, sinon il faudrait attendre des millions d’années pour qu’elle se forme. Ce résultat représente un changement complet dans notre réflexion sur ce matériau. .”
Les chercheurs ont trouvé une méthode prometteuse pour produire de la tétrathanite, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si elle convient aux aimants à haute performance. L’équipe espère travailler avec les principaux fabricants d’aimants à ce sujet.
Le travail peut réexaminer le point de vue selon lequel la formation de tétrathanite dans les météorites prend réellement des millions d’années.
La recherche a été partiellement financée par le Conseil européen de la recherche (ERC) et la Fondation scientifique autrichienne dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, le septième programme-cadre.
