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Apprivoiser des molécules pour préparer les matériaux du futur

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Les technologies basées sur le magnétisme et la conductivité s'orientent pour les années à venir vers la préparation de matériaux non-métalliques qui auraient la transparence, les propriétés mécaniques, la légèreté des polymères organiques. Comment élaborer de tels matériaux ? Deux équipes du CNRS apportent une solution en parvenant à stabiliser les diradicaux, entités chimiques qui par réplication permettraient d'obtenir les matériaux offrant les propriétés magnétiques et de conductivité recherchées. Ces recherches sont publiées dans la revue Science du 8 mars 2002.

Les applications du magnétisme, de la boussole aux électroaimants, en passant par les dynamos et les transformateurs, ont joué un rôle primordial dans la technologie moderne. Aujourd'hui, on les retrouve dans des domaines aussi variés que le stockage des informations audio et vidéo, l'imagerie médicale ou la détection des mines antipersonnels ; une voiture de luxe ne possède pas moins de 300 instruments utilisant le magnétisme.

Les matériaux utilisés actuellement pour leurs propriétés magnétiques sont basés sur des dérivés métalliques. En général très rigides, ces matériaux sont difficiles à façonner ; de plus, ils ont une forte densité et ne sont pas transparents. L'alternative consisterait à préparer des aimants non-métalliques possédant les propriétés mécaniques et la légèreté des polymères organiques tels le polystyrène et le PVC.

Avant d'envisager toute solution, il faut d'abord savoir que la matière est constituée d'atomes liés entre eux grâce à leurs électrons. Lorsqu'un électron n'est pas utilisé pour former une liaison, il est dit célibataire et l'on parle de radical. Le comportement magnétique d'une substance est dû à la présence d'une multitude de ces radicaux, situation que l'on trouve fréquemment dans les métaux, mais dont ces derniers n'ont pas l'exclusivité.

Plusieurs équipes de recherche de par le monde ont démontré que des polymères contenant des électrons célibataires localisés sur des atomes de carbone présentent des propriétés magnétiques intéressantes. Le problème majeur, qui a totalement inhibé les applications pratiques, réside dans l'instabilité de ces entités chimiques. Par ailleurs, il est maintenant bien établi que les radicaux-1,3 (deux atomes porteurs d'un électron célibataire, séparés seulement par un autre atome) représentent les modèles les plus simples pour espérer construire par réplication les matériaux possédant les propriétés recherchées. Cependant, ces derniers sont encore plus instables que les radicaux. Jusqu'à présent, le plus stable d'entre eux avait une durée de vie de quelques microsecondes à température ambiante et l'utilisation des matériaux dérivés ne pouvait s'imaginer qu'à des températures inférieures à -250°C.

Les travaux des chercheurs du CNRS dirigés par Guy Bertrand portent sur la préparation d'un diradical potentiellement répliquable et stable, non seulement à température ambiante, mais qui vit à l'état solide ou en solution jusqu'à 200°C. Ce résultat a été acquis en utilisant les propriétés très particulières des atomes de phosphore et de bore, éléments qui n'appartiennent pas à la famille des métaux.

De façon générale, le fait de stabiliser des entités hautement réactives ouvre de nombreuses perspectives. Ainsi, des espèces dont l'observation nécessite généralement des conditions de manipulation et des techniques d'analyse très sophistiquées, deviennent des « composés ordinaires » que le chimiste peut préparer et manipuler pratiquement à sa guise. Les retombées de telles études se situent donc aussi bien au niveau fondamental (de nouveaux modes de liaison chimique peuvent par exemple être découverts), qu'au niveau appliqué puisque les conditions d'utilisation de tels composés tombent dans le domaine de température envisageable pour des applications pratiques.

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