Comment transformer un coquillage en cellule photovoltaïque

Prenez pour commencer un oursin plat (genre Mellita) communément appelé « dollar des sables ». Il est essentiellement composé de calcite, c’est-à-dire de carbonate de calcium. A l’état naturel, le calcium peut être en partie remplacé par d’autres ions métalliques chargés positivement comme le magnésium, le zinc ou encore le baryum.

Choisissez ensuite une équipe de chercheurs, par exemple Willem Noorduin et ses collègues de l’AMOLF (un institut de recherche situé aux Pays-Bas). Faites-leur échanger dans la structure de l’oursin le baryum et le carbonate par des éléments bien précis, typiques de certains matériaux synthétiques utilisés pour la fabrication de cellules photovoltaïques. (Pour ceux qui ont quelques souvenirs de chimie, ces éléments sont d’une part le plomb sous sa forme d’ion : Pb2+ et d’autre part un halogénure, c’est-à-dire un ion dérivé d’un halogène comme par exemple le chlore ou le fluor.)

Pour le dire plus simplement peut-être, c’est exactement comme dans certains  commentaires des recettes de Marmiton : tel internaute a trouvé « délicieux » le gratin de courgettes à la feta mais comme il n’aime ni l’une ni les autres, il a mis des tomates à la place des courgettes et de la mozarella au lieu de la feta et franchement, « c’était super, les enfants ont adoré »…

Ici c’est pareil : après avoir substitué chaque ingrédient, les chercheurs ont obtenu une « perovskite » plomb-halogénure, connue comme matériau photovoltaïque à haut rendement, tout en conservant exactement la forme initiale, celle de l’oursin !

La perovskite ainsi obtenue a démontré la même efficacité dans l’absorption et la ré-émission de lumière que les perovksites sous forme de film, suggérant que cette méthode d’obtention pourrait être utilisée pour produire des composants optiques et électroniques en trois dimensions au lieu de deux, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux développements.

Photo : Noorduin lab, AMOLF

Pour en savoir plus : Glow-in-the-dark semiconductor seashells

La tortue, reine de la glisse

Le ski idéal doit paraît-il allier rigidité pour accrocher la neige dans les courbes et souplesse pour être maniable en entrée et en sortie de virage. Or les skis actuels sont soit souples, pour les skieurs intermédiaires, soit rigides pour les experts. Pour réunir ces deux caractéristiques apparemment incompatibles, Véronique Michaud, du laboratoire de technologie des composites et polymères de l’EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), a eu l’idée de se baser sur la morphologie de la tortue alors qu’elle assistait à un séminaire sur les matériaux bio-inspirés.

«Les écailles de la tortue sont imbriquées entre elles, à l’image d’un puzzle et liées par un polymère» explique la chercheuse. « Lorsque les tortues respirent, les écailles s’écartent légèrement, et la surface est souple. Mais lorsqu’un choc survient, la carapace se bloque et se rigidifie. J’ai tout de suite pensé que l’on pourrait implémenter ces caractéristiques dans un ski. » Cette idée s’est concrétisée dans un partenariat entre l’EPFL et l’entreprise suisse Stöckli.

Pour reproduire ce phénomène, la solution la plus efficace consiste à placer à l’intérieur du ski une plaque d’aluminium dotée d’une fente en forme de serpent judicieusement placée à l’avant et à l’arrière. Lorsque le ski se plie dans un virage, les plaques de chaque côté de la fente s’imbriquent entre elles, et le ski se rigidifie, ce qui permet d’effectuer des virages précis et stables. A la sortie du virage, la fente dans la plaque s’écarte légèrement, le ski redevient souple, et il est possible de conduire le ski avec une grande finesse. «Ici, l’aluminium se comporte comme les écailles, et une couche spéciale en caoutchouc entre les couches représente le polymère de la carapace» précise Véronique Michaud.

Les skis équipés de cette solution baptisée « turtle shell » sont en vente depuis 2016, « aussi bien pour des skieurs moyens, qui cherchent à déclencher des virages sans trop d’efforts, que pour des skieurs aguerris, qui pourront en tirer le meilleur parti ».

Pour ma part et sur la base de ma seule première étoile, je m’en tiendrai aux raquettes et partirai à point.

 

Photo : Mauro Paillex sur Unsplash

Pour aller plus loin :

Des skis inspirés des écailles de tortue

Stoeckli turtle-shell technology

 

Le téléphone de Neo ou le sac de Deckard ?

Mercredi, c’est jour de sortie (au cinéma) :

Fans de MATRIX, sachez qu’en mai vous pourrez vous offrir le « NOKIA 8810 4G reloaded » : une réédition du téléphone célèbre pour son rôle dans la trilogie. Vous pourrez le choisir en noir, comme Neo. Ou en jaune, si vous aimez les bananes.

Vous préférez Blade Runner, son décor « urbain poisseux », ses myriades d’enseignes et de néons, sa pluie incessante et ses foules denses et oppressantes ? Le couturier belge Raf Simons a imaginé pour EASTPAK une série limitée de sacs à dos pour la saison printemps /été 2018 inspirée par « l’esthétique cyberpunk de Blade Runner » mêlée à des éléments de design industriel « dans l’espoir de fournir une interprétation alternative de la culture de rue asiatique », ouf !

Concrètement, comment traduit-on l’esthétique cyberpunk ? Tout simplement semble-t-il avec du PVC (polychlorure de vinyle) à moins de 2 € le kilo. Quand on aime (le cinéma) on ne compte pas : le sac, proposé à 200 livres sterling, est déjà épuisé : y aurait-il plus de réplicants qu’on ne l’imagine ?

Des voitures à croquer

Dans les années 30, Henry Ford avait demandé à ses bureaux d’études de plancher sur l’introduction de matériaux biosourcés (1) dans les voitures. C’est ainsi que fut présentée le 14 août 1941 la Hemp Body Car : la voiture à carrosserie en chanvre. Si le châssis et quelques renforts étaient encore métalliques, la carrosserie était à base de graines de chanvre et de soja, de fibres de sisal et de paille de blé !

Quatre mois plus tard, l’attaque de Pearl Harbor entraînait les Etats-Unis dans la seconde guerre mondiale, remisant la voiture au garage. Un garage dont elle ne ressortit pas après le conflit : le pétrole n’était pas cher, les polymères synthétiques en profitaient pour prendre leur envol…

Un peu moins de cent ans se sont écoulés et le contexte économique et environnemental a bien changé. Où en est FORD avec « la paille et le grain » ? Si l’on en croit un article de Plastics Technology, Henry Ford serait ravi de constater que ses équipes avancent sur le sujet.

Quelques exemples ? FORD a introduit en 2008 sur la Mustang des mousses à base d’huile de soja pour les sièges et les appuie-têtes. Depuis 2011, ces mousses sont utilisées sur tous les véhicules commercialisés en Amérique du Nord. La paille de blé remplace le talc comme renfort dans le plastique (du polypropylène ou PP) des habillages intérieurs avec à la clé un allègement de l’ordre de 10%. Le constructeur travaille avec un fabricant de ketchup sur la ré-utilisation de ses peaux de tomate ainsi qu’avec un producteur de tequila dont les fibres d’agave (après extraction du jus destiné à la distillation) pourraient également être à l’origine de nouveaux matériaux.

FORD étudie aussi de près les algues et même le pissenlit russe (Taraxacum kok-saghyz). Car le pissenlit est une source de latex, comme l’hévéa. Si, si, vous le saviez forcément : qui n’a pas cueilli au moins une fois un pissenlit pour souffler sur son aigrette et se poisser les doigts avec le suc s’écoulant de la tige coupée ? Ce suc, c’est du latex et du latex on fait tout simplement… des pneus.

 

(1) Un matériau « biosourcé » est fabriqué à partir de ressources renouvelables (maïs, lin, algues…) et non pas de ressources fossiles comme le pétrole et le charbon.

Jin, la chaise « 100% bio » : info ou intox ?

Qu’est-ce qu’un matériau composite ? C’est un matériau constitué d’au moins deux composants : une « matrice » qui assure la protection et la cohésion de la structure et un « renfort », qui assure la tenue mécanique. Ces deux matériaux ne se mélangent pas, mais leurs propriétés se complètent. Le béton armé par exemple est un composite béton/acier. L’aéronautique est gourmande de composites depuis ses débuts, l’automobile espère perdre un peu de poids grâce à eux (ce qui n’est pas gagné, pour diverses raisons dont nous reparlerons peut-être dans un autre article)… Mais l’un des inconvénients à mélanger ainsi des composants différents, c’est la difficulté en fin de vie à les séparer pour les recycler.

OFFECCT est un éditeur suédois de mobilier contemporain qui s’engage dans la création de meubles durables et a présenté en février dans le cadre de la « Stockholm Furniture Fair » une chaise du designer japonais Jin KURAMOTO revendiquée comme « 100% bio » (à droite sur la photo). La chaise est en effet constituée d’un renfort en fibres de lin et d’une matrice en PLA (ou acide polylactique), un polymère biodégradable issu de ressources renouvelables telles que la canne à sucre ou le maïs. L’association des fibres de lin et de la résine confère légèreté et résistance à cette chaise.

A priori, le mélange lin/PLA semble en effet intéressant du point de vue environnemental. Mais il ne suffit pas d’être « théoriquement » durable et recyclable, encore faut-il l’être concrètement et surtout économiquement : certains plastiques recyclables dans le principe ne sont en fait pas recyclés car il n’existe pas de filière de recyclage économiquement rentable. Dans le cas de la chaise JIN (du nom de son créateur), il est intéressant de noter à gauche sur la photo sa petite sœur jumelle en… fibres de carbone. S’il s’agit de « vraies » fibres de carbone, alors elles ne sont pas d’origine renouvelable et leur recyclage n’est à ce jour pas une réalité. Nous prendrait-on pour des bleus à vouloir ainsi tout peindre en vert ?

 

Photo : OFFECCT

Betterave n°1

Agronome de formation, Céline Corpel a repris en 2004 la ferme familiale à Amifontaine dans l’Aisne. Accompagnée par PUR Projet et un grand nom français de la cosmétique et des parfums, elle associe un projet d’agroforesterie à la culture de la betterave sucrière.

L’agroforesterie consiste à intégrer des arbres et des arbustes dans les systèmes agricoles de culture ou d’élevage pour améliorer la qualité de la production et la pérenniser. Les arbres restituent notamment de la matière organique via les feuilles qui tombent au sol et la décomposition des racines : 40 % de la biomasse d’un arbre retourne au sol chaque année. La création d’un micro-climat sur la parcelle protège également les cultures et les animaux des stress thermiques et hydriques. L’arbre pourrait permettre d’amortir les accidents climatiques, en partie responsables de la stagnation des rendements des céréales en Europe. Les racines améliorent l’infiltration du ruissellement, limitent l’évaporation du sol…

Cette démarche appliquée à la culture de la betterave sucrière a donc entre autres pour ambition une production d’alcool plus respectueuse de l’environnement.

En décembre 2016, plus de deux mille arbres ont ainsi été plantés : alisiers, aulnes, cerisiers, charmes, cormiers, cornouillers, érables, fusains, noisetiers, noyers, merisiers, poiriers, pruneliers, sureaux, tilleuls, troènes… L’ensemble de la plantation représente environ 7% de la surface de la parcelle, désormais hors culture. Mais le groupe cosmétique qui accompagne Céline Corpel est prêt à acheter plus cher un alcool produit de façon responsable.

On raconte souvent que, quand on lui demandait ce qu’elle portait pour dormir, Marilyn Monroe répondait « Chanel n°5 ». Vous pourriez bientôt répondre à cette même question « Betterave bio n°1 ».

Un béton bio-inspiré (un sujet qui ne manque pas de piquant)

Avant d’être un blog, Métamorphoses était une publication « papier ». Début 2012, j’y relatais qu’une équipe internationale de scientifiques avait proposé une interprétation de la structure des épines d’oursin ouvrant selon eux des perspectives pour la fabrication de bétons plus performants.

Les épines d’oursin sont en effet essentiellement constituées de carbonate de calcium. Si je vous dis « craie » vous voyez mieux de quoi il s’agit… En principe, ce matériau est très fragile. Marcher sur un oursin ne devrait donc pas être un problème : les épines devraient casser sous le pied de l’imprudent. Mais chacun sait, par expérience ou par instinct, que ce n’est pas le cas et qu’il vaut mieux faire un détour. Pourquoi les épines d’oursin ne sont-elles pas friables comme de la craie ?

L’équipe en question indiquait qu’à l’échelle nanométrique, ces épines sont en fait organisées comme un mur de « briques » reliées entre elles par un « mortier ». Briques et mortier sont également constitués de carbonate de calcium, mais organisé de deux façons différentes. Les briques sont de la calcite, une forme cristalline et cassante de ce minéral, tandis que le mortier est une forme amorphe présentant une certaine élasticité. Lorsqu’une force est appliquée sur la calcite, le bloc cristallin se fend. Mais l’énergie est transférée au mortier qui la dissipe, empêchant la casse.

Six ans plus tard, un « ciment inspiré de la structure cristalline de la calcite qui compose les épines d’oursins a été synthétisé par une équipe de scientifiques allemands« . L’article publié dans Materials Science rappelle que le béton, s’il présente une grande résistance à la compression, a l’inconvénient de manquer d’élasticité et de n’offrir qu’une faible résistance à la torsion. C’est pourquoi il est souvent renforcé avec des barres d’acier.

Pour améliorer ses propriétés, les scientifiques se sont inspiré des oursins. En organisant de façon très fine des zones minérales rigides et des zones polymères élastiques dans un ciment, ils ont obtenu un béton dont la résistance à la flexion serait quarante à cent fois supérieure à celle de bétons traditionnels.

Prix de l’inventeur européen 2017

La nouvelle arme fatale aux déversements de pétrole et de produits chimiques est… une éponge !

Il s’agit d’une cire synthétique mise au point par Günter Hufschmid et son équipe de la société allemande Deurex. Cette cire peut adsorber jusqu’à sept fois son poids en liquides hydrophobes sans retenir d’eau, ce qui en fait l’outil idéal pour nettoyer les déversements et fuites, quel que soit l’endroit où ils se produisent : dans votre garage ou autour d’une plateforme de forage pétrolier en mer.

Décerné par l’Office Européen des Brevets, le Prix de l’Inventeur Européen 2017 (catégorie Petites et Moyennes Entreprises) a été attribué à Günter Hufschmid pour cette cire qu’il a appelée « Pure ». Par rapport aux agglomérants existants, Pure agirait plus rapidement, adsorberait plus de contaminants en laissant derrière elle moins de résidus et surtout serait ré-utilisable après essorage.

Alors qu’il essayait de mettre au point un nouveau type de cire micronisée, un employé de la société Deurex a laissé une machine tourner une nuit entière avec des paramètres de température et de pression incorrects. Le lendemain matin, le sol était recouvert d’une substance duveteuse et fibreuse que les employés ont rapidement surnommé « coton magique ». La société Deurex a donc trouvé avec Pure autre chose que ce qu’elle cherchait… C’est un cas typique de sérendipité, néologisme calqué sur l’anglais « serendipity ». Le terme serendipity a été inventé en 1754 par Horace Walpole, qui désigne ainsi des « découvertes inattendues, faites par accidents et sagacité » et par « sagacité accidentelle ». La découverte de l’Amérique par Christophe Colomb est un bel exemple de sérendipité, tout comme l’invention du Post-It.

En 2010, année d’invention de Pure, la catastrophe de Deepwater Horizon a causé l’écoulement de près de 770 millions de litres de pétrole dans les eaux environnantes du Golfe du Mexique, ce qui n’en faisait « que » la quatrième plus importante marée noire de l’histoire. La gestion des déversements d’hydrocarbures représentait alors un marché d’environ 13 milliards d’euros  à l’échelle mondiale et devrait nettement augmenter pour atteindre 118 milliards d’euros d’ici 2020. En effet, si le nombre de déversements est en baisse, les transports de pétrole (par voie maritime ou pipeline terrestre) augmentent et les gouvernements font davantage appel aux technologies de gestion des déversements.

Des négociations sont en cours entre Deurex et des acteurs de l’industrie pétrolière. La société espère que son nouveau produit lui permettra de s’imposer sur ce marché. Pendant ce temps-là, que fait donc Bob l’Eponge ?

Recycled is the new black

« La chaise Ioda est emboîtable et possède une assise large. Extrêmement confortable et résistante, elle équipe collectivités et particuliers » : c’est ainsi que l’entreprise SOGEMAP située en Charente Maritime présente l’un de ses best-sellers. Cette année, SOGEMAP la propose en plastique recyclé, « parce que les déchets plastiques n’ont rien à faire sur les plages ».

Seule contrainte à ce stade : pour ses 20 ans, Ioda se voit offrir une petite robe noire car recycler ensemble des plastiques de toutes les couleurs donne obligatoirement un mélange sombre et indéfinissable, que le plus simple est de colorer… en noir.

Pour avoir travaillé sur le sujet, je peux vous dire que des alternatives sont envisageables : bleu marine, vert sapin, gris tourterelle (celui-ci avait ma préférence)… Un peu d’imagination et un designer couleurs et matières sont alors bien utiles. Quant à proposer des teintes claires, cela veut dire trier les plastiques recyclés par couleur en amont de la mise en oeuvre et l’économique prend alors le pas sur la technique, du fait des coûts de main d’oeuvre actuellement nécessaires.

 

Source et photo : FRANCE BLEU

Qu’est-ce qu’un MOF ?

Il faut se méfier des acronymes. Par « MOF », vous entendez sans doute « Meilleur Ouvrier de France » mais connaissez-vous les « Metal Organic Fameworks » ou réseaux métallo-organiques ?

Leur nom l’indique : les réseaux métallo-organiques sont constitués d’ions métalliques (tels que le fer, le titane, l’aluminium, le cuivre, …) reliés entre eux par des groupes « organiques », donc à base de carbone et leur intérêt réside dans leur exceptionnelle porosité.

Ils sont en effet « nanoporeux », comme le charbon actif, les zéolithes ou les silices, donc plein de pores minuscules ce qui fait que leur surface réelle est très supérieure à leur surface « apparente ». Si vous avez du mal à me suivre, imaginez deux feuilles de papier de la même aire apparente (par exemple, deux carrés de 10 par 10 cm) : l’une est lisse et l’autre est plissée comme un éventail. Si vous aplanissez la feuille plissée, alors son aire ne sera plus de 10 par 10 mais (par exemple) de 20 par 10… L’image pourrait aussi être fromagère : la surface réelle d’un morceau d’emmental est supérieure à la surface réelle d’un morceau de gruyère de même taille. En conséquence, plus il y a de trous dans l’emmental, plus il y a en fait… de surface !

A quoi servent les matériaux nanoporeux ? A piéger ou transporter une grande variété de molécules. Le charbon actif est par exemple utilisé pour filtrer l’eau depuis l’Antiquité ou dans les masques à gaz depuis le 19ème siècle. Un gramme de charbon actif a une surface de l’ordre de 1 000 m² (1). Ses petits cousins les MOF, observés pour la première fois en 1992, ont une surface de l’ordre de 10 000 m² par gramme… C’est plus qu’un terrain de football ! Ils sont extrêmement prometteurs car ils permettent de stocker des gaz à effet de serre comme le CO2 ou le méthane, ou encore de l’hydrogène afin de produire de l’électricité renouvelable. Autre exemple : des chercheurs de l’université de Berkeley et du MIT ont uni leurs efforts et présenté début 2017 une preuve de concept combinant l’énergie solaire et un MOF à base de zirconium pour collecter l’eau présente dans l’air, même dans un environnement désertique (2).

Par contre, jusqu’à présent les MOF étaient disponibles sous forme de poudres, lesquelles ne sont pas faciles à mettre en oeuvre à l’échelle industrielle. Mais une équipe internationale menée par des chercheurs de l’Institut de recherche de Chimie Paris a récemment fait la couverture de Nature Materials avec une étude qui met en évidence la capacité d’un MOF à base de zinc à garder ses propriétés de porosité à l’état liquide, puis à l’état vitreux. C’est surprenant car, comme le dit joliment le CNRS (3), « l’état liquide n’est pas celui qui favorise la porosité » ! C’est vrai : on peut faire des ronds dans l’eau mais on y voit au final assez rarement des trous… « Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles applications industrielles » : on ne peut que l’espérer, quand il vient d’être annoncé que les émissions mondiales de COsont reparties à la hausse après trois ans d’accalmie.

 

(1) Les réseaux métallo-organiques : des matériaux prometteurs aux nombreuses applications industrielles

(2) This new solar-powered device can pull water straight from the desert air

(3) Quand un solide poreux garde ses propriétés à l’état liquide