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Les secrets de l'aérogel révélés grâce au laser

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Le réseau de la céramique étudiée par les chercheurs du LBNL. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory

On l'appelle parfois le « brouillard de San Francisco », la « fumé gelée » ou encore l'aérogel. Ce matériau magique est une sorte de mousse solide très poreuse avec un réseau de cavités de tailles nanométriques. Les chercheurs des laboratoires Lawrence Livermore et Lawrence Berkeley viennent d'en fournir pour la première fois au monde une image en 3D.

L'aérogel est devenu célèbre dans le grand public essentiellement à l'occasion de la mission Stardust où un bloc de celui-ci a été utilisé pour capturer et ramener sur Terre des poussières de la comète Wild 2. Ce matériau, composé à 99,8 % d'air et d'une densité de 3 mg/cm³ , n'est pourtant pas un nouveau venu car il a été crée en 1931 par l'ingénieur chimiste Steven Kistler.

Capable de supporter plus de 2000 fois son poids, c'est en fait le solide le plus léger du monde et un isolant remarquable car il stoppe presque complètement les transferts thermiques, en particulier quand il s'agit d'un aérogel de silice. On sait en effet en fabriquer avec différentes compositions chimiques, à base d'oxyde d'étain, de chrome et même à partir du carbone et de l'alumine.

Considéré comme le meilleur isolant électrique, sonique et bien sûr thermique du monde, la clé expliquant ses propriétés se trouve au niveau de son réseau fractal interne (voir notre dossier concernant les fractales) de cavités interconnectées. Cette structure poreuse, avec des pores de tailles comprises entre 2 et 50 nanomètres environ, est en fait assez commune dans la nature puisqu'on la retrouve dans les cellules, les os, les polymères, les phospholipides et aussi en géologie, dans le cas des transferts, d'eau et de pétrole dans les roches.

Une rose reste intacte sur un bloc d'aérogel chauffé par un bec Bunsen en raison du caractère d'isolant thermique de l'aérogel. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory.

Pour mieux comprendre les propriétés de tels matériaux et en faire un usage plus efficace dans l'industrie, par exemple pour dessaler l'eau de mer et dépolluer l'eau dans l'industrie, une étude fine de ce réseau fractal en 3D serait précieuse mais, jusqu'à présent, seules des données en 2D obtenues par microscopie électronique étaient disponibles. Les chercheurs des laboratoires Lawrence Livermore et Lawrence Berkeley viennent d'utiliser un laser à rayons X pour s'affranchir de cette limitation.

Ils ont pour cela utilisé les figures de diffraction produites en projetant un tel rayon laser sur un aérogel particulier, l'oxyde de tantale (Ta2O5), sous plusieurs angles. Plus de 150 orientations différentes ont été nécessaires et les figures de diffraction ont été enregistrées avec des capteurs CCD. Les images ont ensuite subi un impressionnant traitement par ordinateur qui a nécessité d'importantes quantités de calculs.

Les images de cette céramique particulière, qui est utilisée pour stocker des isotopes d'hydrogène dans le cadre d'expériences sur la fusion contrôlée par confinement inertiel, ont révélé une structure complexe permettant de départager différentes théories expliquant la formation des aérogels, comme la théorie de la percolation.

Les informations fournies par ce genre de technique ne devraient pas être limitées qu'aux aérogel et les chercheurs pensent en particulier aux polymères poreux étudiés pour stocker de l’hydrogène.