Une nouvelle approche de la fabrication des “aimants cosmiques” pourrait réduire la dépendance aux terres rares dans les technologies à faible émission de carbone

Des chercheurs ont découvert une nouvelle méthode potentielle pour fabriquer des aimants haute performance utilisés dans les éoliennes et les voitures électriques sans avoir besoin d’éléments rares, qui proviennent exclusivement de Chine.

Une équipe de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues autrichiens, a trouvé une nouvelle voie possible pour remplacer les aimants de terres rares : la tétrataenite, un “aimant cosmique” qui met des millions d’années à se développer naturellement dans les météorites.

Les tentatives précédentes de fabrication de tétrataenite en laboratoire reposaient sur des méthodes très imprécises. Mais l’ajout d’un élément commun – le phosphore – peut signifier qu’il est possible de fabriquer de la tétrataenite artificiellement et à grande échelle, sans traitement particulier ni techniques coûteuses.

Les résultats sont publiés dans la revue Sciences avancées. Une demande de brevet sur la technologie a été déposée par le Cambridge Institute, la branche commerciale de l’université, et l’Académie autrichienne des sciences.

Les aimants à haute performance sont une technologie clé pour construire une économie sans carbone, et les meilleurs aimants permanents disponibles aujourd’hui contiennent des éléments de terres rares. Malgré leur nom, les terres rares sont abondantes dans la croûte terrestre. Cependant, la Chine est devenue un quasi-monopole sur la production mondiale : en 2017, 81 % des terres rares mondiales provenaient de Chine. D’autres pays, comme l’Australie, secouent également ces éléments, mais à mesure que les tensions géopolitiques avec la Chine augmentent, on craint que l’approvisionnement en terres rares ne soit menacé.

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« Il y a des gisements de terres rares ailleurs, mais les opérations minières sont très perturbatrices : il faut extraire une grande quantité de matière pour obtenir une petite quantité de terres rares », a déclaré le professeur Lindsay Greer du Département des sciences de la terre et de la métallurgie de Cambridge. qui a. l’étude. étudier. “Au milieu des impacts environnementaux et de la forte dépendance à l’égard de la Chine, il y a eu une recherche urgente de matériaux alternatifs qui ne nécessitent pas de terres rares.”

La tétrataenite, un alliage fer-nickel avec une structure atomique ordonnée spécifique, est l’une des plus prometteuses de ces alternatives. La tétrataenite se forme sur des millions d’années à mesure qu’une météorite se refroidit lentement, donnant aux atomes de fer et de nickel suffisamment de temps pour s’arranger dans une séquence d’empilement spécifique au sein de la structure cristalline, aboutissant finalement à un matériau aux propriétés magnétiques proches de celles des terres rares. aimants.

Dans les années 1960, les scientifiques ont pu créer de la tétrataenite traditionnellement en dynamitant des alliages fer-nickel avec des neutrons, permettant aux atomes de former l’arrangement souhaité, mais ce processus n’était pas adapté à la production de masse.

“Depuis lors, les scientifiques ont été intrigués par la compréhension du système de séquençage, mais cela a toujours semblé être quelque chose de lointain”, a déclaré Greer. Malgré de nombreuses tentatives au fil des ans, il n’a pas été possible de fabriquer de la tétrataenite à une échelle se rapprochant de l’échelle industrielle.

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Aujourd’hui, Greer et ses collègues de l’Académie australienne des sciences et de la Montanuniversität Leoben ont trouvé une alternative possible qui ne nécessite pas des millions d’années de refroidissement neutronique ou de rayonnement.

L’équipe étudie les propriétés mécaniques des alliages fer-nickel qui contiennent de petites quantités de phosphore, un élément également présent dans les météorites. Un diagramme de la phase entre ces cellules montre le modèle de croissance attendu des arbres appelé dendrites.

“Pour la plupart des gens, cela se serait terminé là : rien d’intéressant à voir dans les dendrites, mais quand j’ai regardé de plus près, j’ai vu un motif de contraste intéressant montrant une structure atomique ordonnée”, a déclaré le premier auteur, le Dr Yurii Ivanov, qui a terminé le travail à Cambridge. et est maintenant à l’Institut italien de technologie de Gênes.

À première vue, le processus de cristallisation de la tétrataenite ressemble à la structure attendue pour les matériaux nickel-fer, à savoir un cristal désordonné qui ne profite pas du fonctionnement d’un aimant. Il a été testé de près par Ivanov pour identifier la tétrataenite, mais Greer a déclaré qu’il était surprenant que personne ne l’ait remarqué auparavant.

Les chercheurs ont déclaré que le phosphore, qui est présent dans les météorites, permet aux atomes de fer et de nickel de se déplacer rapidement, leur permettant de former la composition ordonnée nécessaire sans s’arrêter pendant des millions d’années. En mélangeant du fer, du nickel et du phosphore dans les bonnes quantités, ils ont pu augmenter la formation de tétratainite de 11 à 15 ordres de grandeur, la faisant croître en quelques secondes dans un flux.

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“Ce qui est étonnant, c’est qu’aucun traitement spécial n’est nécessaire : nous fondons simplement l’alliage, le versons dans le moule et nous avons de la tétrataenite”, a déclaré Greer. « L’idée préconçue dans le domaine était que vous ne pouviez pas obtenir de tétrataenite à moins de faire quelque chose de terrible, car sinon vous devriez attendre des millions d’années pour qu’elle se développe. Ce résultat représente un changement total dans la façon dont nous pensons à ce matériau. .”

Alors que les chercheurs ont trouvé une méthode prometteuse pour produire de la tétrataenite, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si elle conviendra aux aimants à haute performance. L’équipe espère travailler là-dessus avec les principaux fabricants d’aimants.

Les travaux pourraient également forcer une révision des points de vue sur la question de savoir si la formation de tétrataenite dans les météorites a vraiment pris des millions d’années.

La recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne et du septième programme-cadre, ainsi que par le Fonds scientifique autrichien.

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