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Posté par Redbran le Jeudi 05/04/2018 à 12:00
Des céramiques transparentes montrent une conductivité anionique
Des chercheurs du CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux: Haute Température et Irradiation) à Orléans sont parvenus à cristalliser complètement un verre, afin de synthétiser les premières céramiques transparentes présentant des propriétés de conductivité anionique. Ce travail, paru dans Journal of Materials Chemistry A, ouvre la voie à une production d’énergie moins polluante.


Les céramiques de mélilites non-stœchiométriques synthétisées au CEMHTI sont les premières céramiques transparentes qui montrent de la conductivité anionique.
©Mathieu Allix

Les céramiques sont des matériaux polycristallins qui ont des propriétés, notamment mécaniques, électriques, magnétiques, optiques ou supraconductrices particulières et sont utilisées comme isolants thermiques (bouclier thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) de navettes spatiales) ou électriques, matériaux de blindage ou de stockage de données, prothèses, etc. Simple et peu coûteuse, la cristallisation « totale et congruente » d’un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) permet d’accéder à des céramiques transparentes. Ce procédé flexible est développé depuis une dizaine d’années au laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux: Haute Température et Irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta, gamma,...) (CEMHTI, CNRS/Université d’Orléans). Grâce à cette méthode, des chercheurs de ce laboratoire (1) ont produit les premières céramiques combinant des propriétés de conductivité anionique et de transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre...), en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d’applications énergétiques.

La méthode classique pour produire des céramiques transparentes est le frittage (Bien qu'il n'existe pas de définition du frittage faisant l’unanimité, il peut être décrit comme une consolidation d'un...) sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de poudres nanométriques. La cristallisation à partir d’une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) amorphe (non cristalline) comme le verre permet de synthétiser à température modérée (< 1000 °C) de nouvelles phases cristallines inaccessibles à plus haute température. En particulier, l’approche par cristallisation complète du verre évite les phases secondaires généralement observées dans les matériaux synthétisés par voie solide classique et assure une densité très élevée (porosité très faible): deux propriétés qui permettent d’obtenir de fortes conductivités.

De plus, grâce à l’absence de porosité et à la faible biréfringence (2) de la structure obtenue, ces céramiques synthétisées via la voie verre sont transparentes dans le visible et le proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.). Ce sont donc les premières céramiques à combiner des propriétés de conductivité anionique et de transparence.

Par leur côté conducteur, de tels matériaux pourraient être utilisés comme électrolytes solides dans des piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...) à oxydes solides (IT-SOFC) à température intermédiaire, pour une production d’énergie moins polluante qu’avec les SOFC classiques à haute température. Des applications sont également envisageables dans des systèmes de craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du pétrole, l'opération qui consiste à casser une molécule organique complexe en éléments plus...) de l’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (water splitting) qui permettent d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène en dissociant par la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) composant la molécule d'eau: les céramiques transparentes, transmettant au cœur du système la lumière absorbée, seraient amenées à haute température grâce au rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le spectre...), améliorant ainsi le rendement et diminuant l’impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient négatives ou positives, dues à un organisme ou à un produit.) de ces systèmes.

Note:
(1) En collaboration avec le Groupe de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des matériaux (CNRS/Université de Rouen Normandie) et le laboratoire CRISMAT (CNRS/École nationale supérieure d'ingénieurs de Caen), notamment
(2) Propriété de certains corps de diviser en deux le rayon lumineux qui les pénètre


Références:
- Marina Boyer, Xiaoyan Yang, Alberto Jose Fernandez Carrion, Quanchao Wang, Emmanuel Veron, Cecile Genevois, Louis Hennet, Guy Matzen, Emmanuelle Suard, Dominique Thiaudiere, Celia Castro, Denis Pelloquin, Ling Bing Kong, Xiaojun Kuang, Mathieu Allix
- First transparent oxide ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) conducting ceramics synthesized by full crystallization from glass
Journal of Materials Chemistry A – Décembre 2017
DOI: 10.1039/c7ta07621e
- De nouvelles céramiques transparentes par cristallisation complète du verre http://www.cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr/inc/communication/direct_labos/allix.htm

Contact chercheurs:
Mathieu Allix, CEMHTI UPR 3079, Université d’Orléans

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Source: CNRS-INC