Les chercheurs ont découvert une nouvelle méthode potentielle pour fabriquer les aimants haute performance utilisés dans les éoliennes et les voitures électriques sans avoir besoin d’éléments de terres rares, qui proviennent presque exclusivement de Chine.
Une équipe de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues autrichiens, a trouvé un nouveau moyen de remplacer éventuellement les aimants de terres rares : la tétrataenite, un « aimant cosmique » qui met des millions d’années à se développer naturellement dans les météorites.
Les tentatives précédentes de fabrication de tétrataenite en laboratoire reposaient sur des méthodes extrêmes peu pratiques. Mais l’ajout d’un élément commun, le phosphore, pourrait signifier qu’il est possible de fabriquer de la tétrataenite artificiellement et à grande échelle, sans traitement spécialisé ni techniques coûteuses.
Les résultats sont publiés dans la revue Sciences avancées. Une demande de brevet sur la technologie a été déposée par Cambridge Enterprise, la branche de commercialisation de l’université, et l’Académie autrichienne des sciences.
Les aimants à haute performance sont une technologie vitale pour construire une économie sans carbone, et les meilleurs aimants permanents actuellement disponibles contiennent des éléments de terres rares. Malgré leur nom, les terres rares sont abondantes dans la croûte terrestre. Cependant, la Chine détient un quasi-monopole sur la production mondiale : en 2017, 81 % des terres rares dans le monde provenaient de Chine. D’autres pays, comme l’Australie, exploitent également ces éléments, mais à mesure que les tensions géopolitiques avec la Chine augmentent, on craint que l’approvisionnement en terres rares ne soit menacé.
« Des gisements de terres rares existent ailleurs, mais les opérations minières sont très perturbatrices : il faut extraire une énorme quantité de matériaux pour obtenir un petit volume de terres rares », a déclaré le professeur Lindsay Greer du département de science des matériaux et de métallurgie de Cambridge, qui a dirigé l’étude. rechercher. « 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. »
La tétrataenite, un alliage fer-nickel avec une structure atomique ordonnée particulière, est l’une des plus prometteuses de ces alternatives. La tétrataenite se forme sur des millions d’années à mesure qu’une météorite se refroidit lentement, donnant 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, aboutissant finalement à un matériau aux propriétés magnétiques proches de celles des aimants de terres rares.
Dans les années 1960, les scientifiques ont pu former artificiellement de la tétrataenite en bombardant des alliages fer-nickel avec des neutrons, permettant aux atomes de former l’empilement ordonné souhaité, mais cette technique n’est pas adaptée 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 », a déclaré Greer. Malgré de nombreuses tentatives au fil des ans, il n’a pas encore été possible de fabriquer de la tétrataenite à une échelle approchant une échelle industrielle.
Aujourd’hui, Greer et ses collègues de l’Académie autrichienne des sciences et de la Montanuniversität de Leoben ont trouvé une alternative possible qui ne nécessite pas des millions d’années de refroidissement ou d’irradiation neutronique.
L’équipe étudiait les propriétés mécaniques d’alliages fer-nickel contenant de petites quantités de phosphore, un élément également présent dans les météorites. Le schéma des phases à l’intérieur de ces matériaux a montré 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. à Cambridge et est maintenant basé à l’Institut italien de technologie de Gênes.
A première vue, le diagramme de diffraction de la tétrataenite ressemble à celui de la structure attendue pour les alliages fer-nickel, à savoir un cristal désordonné sans intérêt en tant qu’aimant performant. Il a fallu un examen plus attentif d’Ivanov pour identifier la tétrataenite, mais Greer dit qu’il est étrange que personne ne l’ait remarqué auparavant.
Les chercheurs disent que le phosphore, qui est présent dans les météorites, 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. En mélangeant du fer, du nickel et du phosphore dans les bonnes quantités, ils ont pu accélérer la formation de tétrataïnite de 11 à 15 ordres de grandeur, de sorte qu’elle se forme en quelques secondes en 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 avions de la tétrataenite », a déclaré Greer. « La vision précédente sur le terrain était que vous ne pouviez pas obtenir de tétrataenite à moins de faire quelque chose d’extrême, car sinon vous devriez 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. . »
Alors que les chercheurs ont trouvé une méthode prometteuse pour produire de la tétrataenite, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si elle conviendra aux aimants à haute performance. L’équipe espère travailler là-dessus avec les principaux fabricants d’aimants.
Le travail peut également forcer une révision des points de vue sur la question de savoir si la formation de tétrataenite dans les météorites prend vraiment des millions d’années.
Formation directe de tétrataenite magnétique dure dans des pièces moulées en alliage massif, Sciences avancées (2022). DOI : 10.1002/advs.202204315