Maîtriser le chaos pour concevoir des céramiques à haute entropie

La nature aspire au chaos. C’est une phrase agréable et réconfortante lorsqu’une autre tasse de café s’est renversée sur le clavier de l’ordinateur et que vous imaginez que vous pourriez souhaiter que l’infusion sucrée et laiteuse revienne dans la tasse de café, là où elle se trouvait quelques secondes auparavant. Mais souhaiter ne marchera pas. Parce que, comme mentionné, la nature aspire au chaos.

Les scientifiques ont inventé le terme d’entropie pour cet effet, une mesure du désordre. Dans la plupart des cas, si le désordre s’aggrave, les processus se déroulent spontanément et le retour à l’ordre qui prévalait auparavant est bloqué. Voir la tasse de café renversée. Même les centrales thermiques, qui génèrent un énorme nuage de vapeur au-dessus de leur tour de refroidissement à partir d’un tas de bois ou d’un tas de houille, fonctionnent grâce à l’entropie. Le désordre augmente considérablement dans de nombreux processus de combustion – et les humains en profitent, puisant un peu d’énergie sous forme d’électricité du processus en cours à leurs propres fins.

L’entropie peut-elle stabiliser quoi que ce soit ?

Les cristaux sont considérés comme l’opposé du désordre. Dans une structure cristalline, tous les éléments du réseau sont soigneusement triés les uns à côté des autres dans le plus petit volume possible. Cela rend d’autant plus bizarre l’idée que les cristaux peuvent être stabilisés par la force de l’entropie et créer ainsi une nouvelle classe de matériaux.

Les matériaux stabilisés entropiquement sont encore un domaine de recherche jeune. Cela a commencé en 2004 avec les alliages dits à haute entropie, des mélanges de cinq éléments ou plus qui peuvent être mélangés entre eux. Si le mélange est réussi et que tous les éléments sont répartis de manière homogène, des propriétés particulières émergent parfois qui ne proviennent pas des ingrédients individuels mais de leur mélange. Les scientifiques appellent cela des « effets cocktails ».

Même dans la chaleur, le chaos règne

Depuis 2015, on sait que même les cristaux de céramique peuvent être stabilisés par le « pouvoir du désordre ». De cette façon, même des éléments surdimensionnés et minuscules s’insèrent dans le cristal, ce qui le détruirait normalement. L’équipe de recherche de l’Empa a déjà réussi à insérer neuf atomes différents dans un cristal. L’avantage est qu’ils restent stables même à des températures élevées, car les « réarranger » conduirait à un plus grand ordre. La recherche naturelle d’un maximum de désordre stabilise ainsi la structure cristalline inhabituelle – et donc l’ensemble du matériau.

« Avec jusqu’à quatre composants dans le cristal, tout est encore normal ; avec cinq composants et plus, le monde change », explique Michael Stuer, chercheur au département Céramique haute performance de l’Empa. Depuis que le chercheur d’origine luxembourgeoise a rejoint l’Empa en 2019, il travaille dans le domaine de recherche des cristaux à haute entropie. « Cette classe de matériaux nous ouvre un large éventail de nouvelles opportunités », déclare Stuer. « Nous pouvons stabiliser des cristaux qui, autrement, se désintégreraient en raison de contraintes internes. Et nous pouvons créer des surfaces cristallines hautement actives qui n’ont jamais existé auparavant et rechercher des effets de cocktail intéressants. »

Avec sa collègue Amy Knorpp, Stuer part maintenant vers l’inconnu. Les deux sont des spécialistes de la production de poudre cristalline fine, et ils ont des collègues à l’Empa pour l’analyse aux rayons X et de surface afin de caractériser précisément les échantillons qu’ils produisent. Avec leur aide, Michael Stuer veut désormais être sur le devant de la scène internationale. « Le nombre de publications sur le sujet des cristaux à haute entropie augmente très fortement en ce moment. Et nous voulons être là dès le départ », précise le chercheur.

Îles de la connaissance

Ce qu’il faut maintenant, c’est une approche systématique, une expertise et une bonne dose de persévérance. Par où commencer ? Quelle direction prend-on ? « Pour le moment, il n’y a pas d’expertise cohérente, pas de vue d’ensemble complète de ce nouveau domaine de recherche », déclare Stuer. « Différents groupes de recherche à travers le monde travaillent sur des projets limités. Ainsi, des îlots de connaissances individuels émergent qui devront grandir ensemble au cours des prochaines années. »

Michel Stuer et Amy Knorpp se concentrent sur les matériaux catalytiquement actifs. La réaction chimique qui les intéresse consiste à combiner le CO2 et l’hydrogène pour former du méthane. L’objectif est de transformer un gaz à effet de serre en un carburant 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. « Maintenant, nous essayons de produire des cristaux entropiques sur les surfaces desquels existent de telles régions hautement actives. »

Ligne d’assemblage chimique

Pour progresser plus rapidement, les chercheurs ont construit un appareil de synthèse spécial avec l’aide de l’atelier de l’Empa, dans lequel de nombreux mélanges chimiques différents peuvent être testés les uns après les autres, comme sur une chaîne de montage. Dans le « Segmented Flow Tubular Reactor », de petites bulles traversent un tube dans lequel la réaction respective a lieu. À la fin, les bulles sont vidées et la poudre qu’elles contiennent peut être traitée ultérieurement.

« Le ‘Tubular Flow Reactor’ a un énorme avantage pour nous : toutes les bulles ont la même taille, c’est pourquoi nous avons toujours des conditions aux limites idéales et cohérentes 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 les unes après les autres. »

Les fenêtres du côté droit

La poudre de précurseur est ensuite transformée en cristaux fins de la taille et de la forme souhaitées par divers processus de séchage. « Les cristaux sont comme des maisons, ils ont des murs extérieurs fermés et certains avec des fenêtres », explique Michael Stuer. Parfois, la forme du cristal indique déjà le côté de la fenêtre. Par exemple, lorsqu’un mélange forme des cristaux en forme d’aiguille. « Les côtés longs de l’aiguille sont ceux à faible énergie. Il ne se passe pas grand-chose là-bas. Les bords de cristal aux extrémités des aiguilles, en revanche, sont à haute énergie. C’est là que cela devient intéressant », a déclaré Stuer.

Pour leur premier grand projet, les chercheurs de l’Empa se sont associés à des collègues de l’Institut Paul Scherrer (PSI). Ils étudient la possible méthanisation du CO2 des usines de biogaz et des stations d’épuration dans un réacteur expérimental. Les chercheurs du PSI ont déjà acquis de l’expérience avec différents catalyseurs et rencontrent à plusieurs reprises un problème : le catalyseur, à la surface duquel la réaction chimique a lieu, s’affaiblit avec le temps. Cela est dû au fait que les composants soufrés du biogaz contaminent la surface ou que les surfaces du catalyseur subissent une transformation chimique à des températures élevées.

C’est là que les chercheurs cherchent une percée en utilisant des cristaux entropiques ; après tout, ceux-ci ne se décomposent pas même à des températures élevées – ils sont stabilisés par le chaos. « Nous gardons l’espoir que nos cristaux dureront plus longtemps dans le processus et seront peut-être plus imperméables à la pollution par le soufre », a déclaré Stuer.

Dessiner une carte

Après cela, les spécialistes du cristal de l’Empa sont prêts à relever d’autres défis, tels que les batteries hautes performances, les céramiques supraconductrices ou les catalyseurs pour les gaz d’échappement des voitures et d’autres processus de production chimiques. « C’est une forêt sombre dans laquelle nous marchons », explique Amy Knorpp. « Mais nous avons une supposition dans quelle direction quelque chose pourrait être trouvé. Maintenant, nous dessinons une carte de ces systèmes. Quelque part là-bas, nous pensons, se trouve un coffre au trésor d’idées cachées. »

Leurs recherches récentes sont publiées dans CHIMIE.