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Les aimants permanents du futur seront-ils sans terres rares ?

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Voitures électriques et éoliennes, des clés pour la transition énergétique du XXIe siècle, font grand usage d'aimants permanents à base de terres rares. On aimerait bien se passer de ces métaux dont les gisements exploitables sont peu nombreux et inégalement répartis. Un pas dans cette direction a été accompli au moyen de nanoparticules contenant du fer, du cobalt et du carbone.

Prise avec un microscope électronique, cette image montre des barreaux ferromagnétiques contenant des nanoparticules de CoFe2C. Ils ouvrent une voie de recherche prometteuse pour des alternatives aux aimants permanents à base de terres rares. © Virginia Commonwealth University

Les terres rares forment un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium, l'yttrium et 15 lanthanides comme le néodyme et le samarium. Elles sont considérées comme des matériaux stratégiques, même si ces métaux ne sont pas aussi rares qu'on le pensait à la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe, lorsque les chimistes allemands et surtout français les ont découverts. Le néodyme, par exemple, est utilisé pour réaliser les puissants aimants de moteurs électriques de toute taille : ceux mettant en mouvement les têtes de lecture et d'écriture des disques durs, ceux des voitures hybrides ou encore des générateurs des éoliennes.

La Chine en est actuellement de loin le premier pourvoyeur, assurant 70 à 80 % de la production mondiale. Il n'est donc guère étonnant que plusieurs pays cherchent à ne plus dépendre de cette source presque unique pour approvisionner leurs technologies de pointe avec ces matériaux indispensables.

Cinq grammes de néodyme sous argon. Cet échantillon de terre rare mesure environ 1 cm de long. © CC BY 3.0

Une nanotechnologie pour se passer des terres rares

L'exploitation des terres rares est difficile et pose des problèmes environnementaux. Dans l'idéal, il faudrait donc soit découvrir de nouveaux procédés d'extraction peu coûteux et surtout faisant peser bien moins de risques sur l'environnement, soit développer des technologies alternatives. Une équipe de chercheurs de l'université Virginia Commonwealth (États-Unis) vient justement de faire un pas significatif dans cette seconde direction comme elle l'explique dans un article paru dans la revue Applied Physics Letters.

On peut y voir une illustration de la thèse développée par Peter Diamandis dans son livre Abundance: The Future Is Better Than You Think (« Abondance : l'avenir est meilleur que vous le pensez »). Pour ce gourou du transhumanisme, des percées technologiques sont en cours qui vont changer complètement la disponibilité de certaines ressources naturelles dans les prochaines décennies. Il y parle bien sûr de l'énergie et de l'eau, mais pas seulement.

Mais revenons aux travaux des physiciens et chimistes de la VCU. Ils concernent une alternative aux aimants permanents performants comme ceux à base de néodyme qui sont connus sous les noms d'aimants NdFeB, aimant NIB et aimant Neo. Ils sont composés d'un alliage de néodyme (Nd), de fer (Fe) et de bore (Nd2Fe14B).

Des nanoparticules à base de fer, de cobalt et de carbone contenant des domaines d'aimantation uniforme d'environ 5 nanomètres ont montré des propriétés magnétiques rivalisant avec ceux des NdFeB lorsqu'elles sont en poudre. La découverte des chercheurs de la VCU est le fruit aussi bien de travaux théoriques que des expériences qui ont validé ces travaux.

Ce nouveau matériau magnétique peut stocker des bits d'informations à la façon de ceux des disques durs jusqu'à une température de 517 °C. On devrait donc pouvoir lui trouver des applications aussi bien pour des moteurs et des générateurs électriques qu'en électronique.