Des chercheurs australiens ont synthétisé un matériau à la stabilité thermique la plus élevée jamais constatée. Une découverte qui pourrait trouver des applications dans les fusées spatiales, les moteurs d’avion ou les implants médicaux.

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Des scientifiques australiens viennent de créer le matériaumatériau le plus stable thermiquement jamais découvert. Constitué de scandium, d'aluminiumaluminium, de tungstènetungstène et d'oxygène, son volumevolume reste quasi identique de 4 à 1.400 degrés KelvinKelvin (-269 à +1.126 °C), soit une amplitude de presque 1.400 °C !

La grande majorité des matériaux augmente de volume avec la chaleur, en raison de l'agitation thermique des atomesatomes. Songez par exemple au liquideliquide qui monte dans un thermomètrethermomètre. Chaque matériau possède ainsi d'un coefficient de dilatation thermique, calculé en Kelvin. Un morceau d'aluminium de 1 cm3 va par exemple « gonfler » de 0,075 mm3 pour une augmentation de 100 °C, tandis que 1 cm3 d'eau va prendre 0,21 cm3 lorsqu'elle est chauffée de 100 °C (l'expansion thermique due au réchauffement climatiqueréchauffement climatique est d'ailleurs la principale cause de la montée des océans).

Les fusées qui doivent encaisser des variations extrêmes de température

Tout cela est bien gênant dans certaines applicationsapplications où les matériaux sont soumis à de très fortes variations de température. Les fuséesfusées sont par exemple exposées à un froid intense dans l'espace et à un échauffement extrême lors du décollage et à l'atterrissage. De même, l'avion espion Lockheed SR-71 Blackbird était connu pour arroser copieusement la piste de carburant à température au sol, car les réservoirs de carburant n'étaient pas parfaitement scellés jusqu'à ce qu'ils se réchauffent lors du vol. On peut aussi citer les implantsimplants médicaux qui, même soumis à de moindres amplitudes thermiques, ne doivent absolument pas varier de volume. De manière générale, le stressstress thermique endommage les matériaux à terme et peut causer de nombreux problèmes.

Depuis plusieurs années, les scientifiques se sont donc mis en quête de « matériaux à zéro expansion thermique » (zero thermal expansion, ZTE), dont le volume ne varie pas selon la température. Le Zerodur, un composite en céramique qui possède un coefficient de dilatationdilatation quasi nul sur une plage thermique comprise entre 20 et 320 °C, est par exemple utilisé dans les miroirs de télescopestélescopes comme ceux du VLT au Chili.

L’augmentation de température induit un réarrangement des liaisons moléculaires au sein de Sc<sub>1.5</sub>Al<sub>0.5</sub>W<sub>3</sub>O<sub>12</sub>, mais qui n’affectent pas le volume global. © Chem. Mater., 2021
L’augmentation de température induit un réarrangement des liaisons moléculaires au sein de Sc1.5Al0.5W3O12, mais qui n’affectent pas le volume global. © Chem. Mater., 2021

Un coefficient de dilatation thermique extraordinairement faible

C'est pourtant purement fortuitement que l'équipe de Neeraj Sharma, à l'université de Nouvelle-Galle du Sud, a découvert son nouveau matériau ZTE, décrit dans la revue Chemistry of Materials. « Nous menions des expériences pour des recherches basées sur les batteries, et nous avons constaté avec surprise la propriété thermique de cette composition particulière », raconte le chercheur. Le matériau, de formule exacte Sc1.5Al0.5W3O12, possède un coefficient de dilatation thermique de αv = −6×10-8 K-1. Cela veut dire qu'un morceau de 1 cm3 va diminuer de volume d'à peine 0,003 mm3 pour une augmentation de température de 100 °C ! Ce coefficient extraordinairement faible a pu être mesuré très précisément grâce au diffractomètre à poudre de l'Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), qui permet de détecter des déviations très petites.

Réarrangement optimal des liaisons atomiques

Mais comment expliquer cette incroyable stabilité thermiquestabilité thermique ? « Les longueurs de liaison, les angles et la position des atomes d'oxygène changent de concert les uns avec les autres pour préserver le volume global », suggère Neeraj Sharma. Autrement dit, la variation de température engendre bien des changements au niveau moléculaire mais qui n'affecte pas la taille de l'échantillon global. Le rôle des autres composés est moins clair, et nécessitera de prochaines investigations.

« Le Sc1.5Al0.5W3O12 peut être facilement synthétisé à grande échelle, assure Neeraj Sharma. Et ses composants comme l'oxyde de tungstène et l'aluminealumine sont relativement bon marché. Il pourrait donc être fabriqué à grande échelle et à moindre coût ».