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matériaux – The Conversation
2024-03-18T15:33:45Z
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2024-03-18T15:33:45Z
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Réparer les plastiques avec des champs magnétiques pour augmenter leur durée de vie ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/582515/original/file-20240318-18-2g2u05.png?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C502%2C3994%2C2119&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">En chargeant certains plastiques de particules magnétiques, il est possible de les chauffer à distance afin de les remodeler.</span> <span class="attribution"><span class="source">Mathieu Salse/INSA Lyon</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span></figcaption></figure><p>L’utilisation excessive des <a href="https://theconversation.com/fr/topics/plastique-23485">plastiques</a> constitue un exemple frappant de la manière dont les <a href="https://theconversation.com/fr/topics/materiaux-27750">matériaux</a> peuvent devenir une source majeure de pollution. La sobriété matérielle, qui consiste à limiter la consommation de matériaux, constitue donc un levier majeur pour diminuer l’impact de nos sociétés sur l’environnement. Bien qu’il semble désormais utopique de se passer des plastiques, l’espoir réside néanmoins dans le fait qu’une grande partie d’entre eux, dits <em>thermoplastiques</em>, ont la faculté de se déformer ou de s’écouler lorsqu’ils sont chauffés.</p>
<p>Cette propriété permet de les remodeler, offrant ainsi la possibilité de les <a href="https://theconversation.com/fr/topics/reparation-65621">réparer</a> et de les réutiliser directement, ce qui présente une alternative moins coûteuse qu’un recyclage chimique. Parmi les diverses méthodes qui existent pour chauffer et réparer les plastiques, le chauffage par induction magnétique constitue un moyen rapide et efficace d’échauffer localement la matière. Cette technique, notamment utilisée comme traitement contre certains cancers, peut être également employée pour réparer les plastiques permettant ainsi d’accroître leur temps de vie.</p>
<h2>Les matériaux autocicatrisants</h2>
<p>Une rapide rétrospective montre que la réparation des matériaux plastiques est un sujet qui passionne la communauté scientifique depuis quelques décennies. Ce sujet a connu un véritable « boom » en 2008 avec la découverte d’un nouveau type de matériau capable de s’autoréparer à température ambiante : les <a href="https://www.nature.com/articles/nature06669">vitrimères</a>. On parle alors d’autoréparation, d’autocicatrisation ou de <em>self-healing</em> en anglais. Bien que de nombreux progrès en chimie ont depuis lors permis de diversifier les solutions, les matériaux autoréparables ne sont pour autant pas véritablement sortis des laboratoires de recherche et peinent toujours, plus de 15 ans après, à trouver leur place dans l’industrie.</p>
<p>Si la raison principale de leur manque d’applicabilité est parfois à chercher au niveau de leur prix et de leur complexité chimique, une autre raison plus fondamentale réside dans l’incompatibilité entre capacité à s’autoréparer et rigidité élevée – la première nécessitant une grande mobilité moléculaire et la seconde de fortes liaisons entre les constituants de la matière. En outre, l’industrie du plastique et ses procédés de fabrication étant arrivés à maturation, c’est tout un écosystème qu’il faut repenser pour inclure la production d’une part significative de matériaux innovants.</p>
<h2>Les matériaux guérissables sous champ magnétique</h2>
<p>Contrairement au cas des matériaux autocicatrisants qui ne nécessitent aucune intervention extérieure, une stratégie alternative, appelée le <em>stimulus-healing</em>, consiste à apporter de l’énergie pour chauffer et réparer les matériaux thermoplastiques. En fonction du matériau et de l’application visée, le mode de chauffage peut prendre plusieurs formes telles qu’un transfert thermique (par contact direct ou via l’air environnant), une onde acoustique, une micro-onde, un laser ou un champ magnétique oscillant appliqué grâce à une bobine (électro-aimant).</p>
<p>Dans le dernier cas, l’opération consiste à intégrer dans le matériau plastique une faible quantité de particules magnétiques (1 à 5 % de son volume). Ces particules sont en effet capables de transformer le stimulus magnétique oscillant en chaleur <a href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200901940">au sein même de la matière</a>, grâce à un phénomène appelé <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_de_Stoner-Wohlfarth">hyperthermie magnétique</a>. Pour atteindre des températures de l’ordre de 150-200 °C, il est commun d’utiliser des champs magnétiques ayant une intensité de quelques milliteslas (l’équivalent d’un aimant de réfrigérateur) et une fréquence d’environ 500 kHz (contre 20 à 100 kHz pour une plaque induction standard).</p>
<p>Cette technologie a l’avantage de pouvoir être utilisée sur des matériaux dotés de propriétés mécaniques très différentes, ce qui permet de l’appliquer sur une large gamme de plastiques. En effet, elle a récemment été employée pour traiter des matériaux de grande consommation tels que le <a href="https://www.nature.com/articles/s41565-018-0327-4">polypropylène</a> (utilisé pour faire des pare-chocs de voiture) ou certains <a href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.1c02046">polyuréthanes souples</a> (employés comme gaine d’isolation électrique).</p>
<p>Un autre avantage que présente cette technique est de pouvoir lisser une pièce rugueuse pour effacer ses défauts en surface. Cela est particulièrement utile pour des <a href="https://www.researchgate.net/publication/377406695_Smoothing_Cicatrization_of_iPPFe3O4_Nanocomposites_via_Magnetic_Hyperthermia">pièces imprimées en 3D</a> dont la rugosité diminue sensiblement les performances mécaniques et rend l’aspect peu attractif.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Le bras de l’inducteur est placé au dessus de la plaque de plastique, qui devient lisse et brillant, là où il est encore rainuré autour" src="https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=495&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=495&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=495&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=623&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=623&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/582006/original/file-20240314-18-e5v5k9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=623&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Inducteur haute fréquence utilisé pour activer l’hyperthermie magnétique permettant le lissage et le renforcement d’une plaque de polypropylène imprimée en 3D.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Guilhem Baeza/INSA Lyon</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<h2>Vers le développement à grande échelle</h2>
<p>Historiquement, les recherches menées sur l’hyperthermie magnétique ont une visée biomédicale. Cette technique, généralement combinée à la chimiothérapie ou la radiothérapie, est utilisée pour traiter <a href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3863197/">certains types de cancer</a>. Dans ce cas, des nanoparticules magnétiques biocompatibles sont injectées au patient, et la chaleur générée sous irradiation magnétique (+ 6 à 7 °C) tue sélectivement les cellules tumorales.</p>
<p>Cette technique offre la possibilité de chauffer sans contact ni besoin de faire parvenir la lumière, et fonctionne donc dans des matériaux opaques. Elle offre un grand contrôle, étant donné que la quantité de chaleur dégagée peut être contrôlée par les caractéristiques du champ magnétique, mais aussi par la quantité et la nature des particules stimulables. La localisation des particules permet également de chauffer sélectivement une zone désirée.</p>
<p>Dans le cas de matériaux composites basés sur des plastiques, ces avantages sont tout aussi utiles et posent de nouvelles questions scientifiques à résoudre afin d’améliorer le procédé de réparation.</p>
<h2>Des limites qu’il reste à dépasser</h2>
<p>Un exemple concerne quelles particules choisir parmi toute la variété de celles qui peuvent être utilisées pour convertir le champ magnétique en chaleur. Les chimistes peuvent jouer sur la composition (fer, cobalt, nickel…), la forme (sphère, cube, bâtonnet…) et la taille des particules magnétiques qui sont autant d’éléments impactant la capacité de chauffe des particules. Par ailleurs, la possibilité de fabriquer ces objets à grande échelle et de manière raisonnée est également un enjeu majeur : la société grenobloise <a href="https://www.hymagin.com/">Hymag’in</a>, avec qui nous collaborons, développe par exemple des particules de magnétite issues de déchets de la sidérurgie.</p>
<p>D’autres aspects concernent davantage les physiciens, par exemple les questions liées aux mouvements des particules soumises au champ magnétique. D’une part, les particules ont tendance à se regrouper et à s’organiser en formant des chaînes, ce qui soulève des interrogations sur la réversibilité et l’utilisation répétée de cette technique. Sous l’effet du champ magnétique, les particules se mettent aussi à tourner sur elle-même, ce qui engendre un <a href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c05440">dégagement de chaleur supplémentaire</a> par friction, dépendant du milieu environnant. Il est nécessaire de quantifier cet effet pour ne pas surchauffer les pièces, ce qui entraînerait leur dégradation.</p>
<p>L’aspect noir des matériaux (lié aux particules magnétiques) rend aussi plus difficile leur utilisation comme pièces visibles, notamment dans l’industrie automobile où la cicatrisation de rayures superficielles sur des pièces colorées représente un réel intérêt commercial. Mais il est aussi possible de réparer en moins d’une minute des caoutchoucs, typiquement des semelles de chaussures ou des joints d’étanchéité, ou même des plastiques durs présents dans des articles de voyage, de sport, ou dans des packagings rigides en tout genre. Finalement, la diffusion des technologies liées à l’hyperthermie magnétique nécessitera l’appui d’industries innovantes, capables d’identifier des applications de niche pour passer de concepts généraux à des produits de haute valeur ajoutée.</p>
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<p><em>Le projet <a href="https://anr.fr/Projet-ANR-22-CE06-0006">MANIOC</a> est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets. Elle a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’<a href="https://anr.fr/">ANR</a>.</em></p><img src="https://counter.theconversation.com/content/225606/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Guilhem P Baeza a reçu des financements de l'ANR pour le projet MANIOC en 2023.</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Laura Ea a reçu des financements du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche en 2023. </span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Mathieu Salse a reçu des financements de l'ANR pour le projet ARMURE en 2022. </span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Simon Fritz a reçu des financements de l'ANR pour le projet MANIOC en 2023.</span></em></p>
En enrichissant des matières plastiques avec des particules magnétiques, il est possible de les chauffer à distance et ainsi les remodeler. De quoi à terme réduire la consommation de plastique ?
Guilhem P Baeza, Maître de conférences habilité à diriger les recherches en physique des polymères, INSA Lyon – Université de Lyon
Laura Ea, Doctorante en Physique des polymères, INSA Lyon – Université de Lyon
Mathieu Salse, Doctorant en sciences des matériaux polymères et composites, INSA Lyon – Université de Lyon
Simon Fritz, Doctorant en Physique des Polymères, INSA Lyon – Université de Lyon
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/222839
2024-02-26T15:50:11Z
2024-02-26T15:50:11Z
Peut-on se passer de plastique en agriculture ?
<p>En novembre 2023, les Nations unies se sont réunies pour élaborer un <a href="https://www.vie-publique.fr/en-bref/291790-pollution-plastique-pas-daccord-au-kenya-pour-un-traite-international">traité international sur la pollution plastique</a>, avec un instrument qui se veut juridiquement contraignant. Un effort pour l’instant en forme de coup d’épée dans l’eau, puisque les discussions n’ont pas abouti.</p>
<p><a href="https://www.unep.org/inc-plastic-pollution/session-4">Les discussions se poursuivront</a> en avril 2024 sur un <a href="https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/44526/RevisedZeroDraftText.pdf">projet de texte révisé</a>. Sans surprise, les exportateurs de pétrole, qui sert de base à la fabrication des plastiques, ne <a href="https://www.voanews.com/a/un-plastic-treaty-talks-grapple-with-re-use-recycle-reduce-debate-/7361510.htm">sont pas favorables à une réduction de la production de plastique</a>. Au vu de la quantité de secteurs économiques qui dépendent du plastique, l’inertie est grande.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/comment-lindustrie-fossile-influence-les-negociations-mondiales-sur-le-plastique-222112">Comment l’industrie fossile influence les négociations mondiales sur le plastique</a>
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<p>Le problème de <a href="https://theconversation.com/fr/topics/pollution-plastique-81856">pollution</a> posé par le plastique est bien connu. Il s’agit du <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X22010402">troisième matériau de synthèse le plus produit</a> après le ciment et l’acier. Entre 1950 et 2017, la production de plastique neuf a atteint <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X22010402">9 200 millions de tonnes</a> et pourrait atteindre <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780128178805000025">34 milliards de tonnes en 2050</a>.</p>
<p>Ce qui n’empêche guère l’insolent succès du plastique. Notamment en agriculture, où le matériau est notamment prisé pour le paillage des cultures. L’enjeu : contrôler la température du sol et le rayonnement solaire, limiter l’évaporation d’eau et empêcher le développement des mauvaises herbes (ou adventices). Des alternatives biodégradables existent, mais elles ne sont pas dénuées d’inconvénients…</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/vers-des-plastiques-biodegradables-et-recyclables-la-piste-des-phas-progresse-211962">Vers des plastiques biodégradables et recyclables ? La piste des « PHAs » progresse</a>
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<h2>Bienvenue dans le « plasticocène »</h2>
<p>Pour qualifier l’omniprésence du plastique, certains parlent de <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723034903">« plasticocène »</a>, sur le modèle de la construction du mot <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X22010402">anthropocène</a>. Sur tout le plastique produit depuis 1950, <a href="https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/36963/POLSOL.pdf">seuls 24 % sont encore en usage</a>, 8 % ont été recyclés, et plus de la moitié (58 %) a été jetée (décharges ou autres) dans l’environnement.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=648&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=648&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=648&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=814&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=814&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/573795/original/file-20240206-28-l2g5ml.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=814&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Production globale de plastique depuis 1950.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.grida.no/resources/15041">GRID-Arendal/UNEP (2021)</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>En bout de course, le plastique s’accumule l’environnement : dans les sols et dans les systèmes aquatiques. L’image du <a href="https://marinedebris.noaa.gov/info/patch.html">« continent de plastique »</a> illustre bien le phénomène. À l’échelle macroscopique ou microscopique, les plastiques créent des risques pour de nombreux organismes et écosystèmes terrestres et marins.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/que-sont-les-microplastiques-et-pourquoi-sont-ils-un-enorme-probleme-dans-les-oceans-144634">Que sont les microplastiques et pourquoi sont-ils un énorme problème dans les océans ?</a>
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<h2>Le plastique en agriculture, à la fois bénédiction et malédiction</h2>
<p>Le plastique possède de nombreux atouts : robuste, flexible, léger et bon marché. Une bénédiction pour l’industrie et les consommateurs, mais une malédiction pour l’environnement. Dans la production agricole, le paillage plastique permet de protéger les récoltes et <a href="https://doi.org/10.3390/polym14235062">d’augmenter les rendements de production</a>.</p>
<p><em>[Plus de 85 000 lecteurs font confiance aux newsletters de The Conversation pour mieux comprendre les grands enjeux du monde. <a href="https://memberservices.theconversation.com/newsletters/?nl=france&region=fr">Abonnez-vous aujourd’hui</a>]</em></p>
<p>Grâce au « mulch » (paillis) de plastique, les agriculteurs peuvent prolonger la période de récolte et réduire les pertes. De quoi mieux contrôler l’humidité du sol, empêcher le développement des mauvaises herbes, limiter le recours aux pesticides, aux engrais, diminuer les besoins d’eau et même protéger le sol de l’érosion.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/573860/original/file-20240206-24-c4wbsm.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Paillage plastique pour protéger des champs de Maïs en Belgique.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Gilles San Martin/Flickr</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/">CC BY-NC-SA</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>De ce point de vue, l’<a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-011-0068-3">application de paillis plastique</a> contribue donc à la protection de l’environnement et à l’utilisation durable des ressources… Mais ce dernier présente aussi des aspects négatifs.</p>
<p>D’abord parce que le plastique est produit à partir de pétrole, et que son usage en agriculture n’est pas très esthétique dans le paysage. La couverture du sol modifie aussi les écosystèmes de la flore et de la faune. Mais aussi parce que des fragments de plastique et de microplastique vont se retrouver dans les sols, pouvant être lessivés <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969716301528">jusque dans les écosystèmes aquatiques</a>.</p>
<p>Il est donc essentiel de trouver des alternatives moins problématiques. Mais toutes les options ne sont pas des compromis acceptables.</p>
<h2>Des alternatives biodégradables parfois pires</h2>
<p>L’industrie tente généralement de résoudre le problème de la pollution plastique agricole en utilisant des paillages plastiques biodégradables. Ces derniers ont toutefois plusieurs inconvénients : moins solides, ils <a href="https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2022.104667">peuvent libérer davantage de matière plastique dans le sol</a>.</p>
<p>L’utilisation de paillage en plastiques biodégradables suggère une production agricole durable. Mais leur biodégradabilité et les émissions de plastique qu’ils entraînent dans l’environnement constituent des sujets de préoccupation.</p>
<p>Pour être qualifié de plastique biodégradable, un matériau doit pouvoir être transformé en CO<sub>2</sub>, eau et biomasse par des micro-organismes en <a href="https://natureplast.eu/en/biodegradable-plastics-definitions-and-standards/">moins de 24 mois</a>. Cette aptitude à la dégradation est généralement vérifiée en laboratoire dans des conditions contrôlées.</p>
<p>Le problème ? C’est qu’il n’y a <a href="https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130055">pas assez de preuves</a> pour s’assurer que cela fonctionne aussi bien dans le vrai sol sans impacter négativement son écosystème… Si les plastiques biodégradables ne le sont pas suffisamment, <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11367-023-02253-y">alors ils peuvent s’accumuler dans le sol</a>. Des <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653522023323">recherches supplémentaires sont donc requises</a> avant d’affirmer que les paillis plastiques biodégradables constituent une alternative intéressante aux paillis plastiques non biodégradables.</p>
<p>Dans certains cas, des alternatives comme le <a href="https://bnrc.springeropen.com/articles/10.1186/s42269-020-00290-3">paillage végétal</a>) peuvent être intéressantes, mais elles sont généralement moins efficaces contre la prolifération des mauvaises herbes et pour conserver la chaleur au sol. De nouvelles technologies (par exemple, le paillis de cellulose ou les films de paillis liquides) sont également en cours de développement. Mais pour l’instant, ces options <a href="https://doi.org/10.3390/agronomy10101618">restent moins intéressantes que les paillis en plastique</a>.</p>
<h2>Des pistes pour améliorer les paillages plastiques</h2>
<p>Les scientifiques travaillent au développement de matériaux nouveaux qui combineraient les avantages des plastiques les plus robustes, tout en pouvant se dégrader rapidement dans l’environnement. Or, il est difficile de combiner les deux caractéristiques. Pour l’heure, <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10666-022-09826-5">cela nécessite des technologies sophistiquées et des coûts de production encore très élevés</a>.</p>
<p>L’augmentation de la stabilité et de la résistance à la traction du paillage plastique est une autre stratégie pour réduire ses émissions de plastique dans l’environnement. Pour cela, on peut soit améliorer la structure chimique du film plastique, soit tout simplement en augmenter l’épaisseur. C’est ce que montre une <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10666-023-09944-8">étude récente</a> que j’ai menée, qui s’intéressait à la situation en Allemagne.</p>
<p>En effet, on observe que des films de paillage épais, de l’ordre de 50 micromètres d’épaisseur, libèrent <a href="https://doi.org/10.5194/soil-8-31-2022">moins de plastique dans l’environnement que des films plus fins</a>. Remplacer un film de paillage plastique de 20 micromètres d’épaisseur par un film de 30 ou 40 micromètres <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10666-022-09826-5">peut ainsi réduire les émissions de plastique</a>.</p>
<p>Cependant, l’augmentation de cette épaisseur entraîne des coûts plus élevés et une augmentation des quantités de plastique totales étendues dans les champs. Des systèmes efficaces de recyclage des films de paillage usagés peuvent permettre de lutter contre l’augmentation des déchets plastiques. <a href="https://www.erde-recycling.de/en/erde-news/ik-initiative-erde-starts-collecting-mulch-film-in-germany/">Une initiative existe déjà en Allemagne pour recycler les films de paillage usagés</a>.</p>
<p>En fin de compte, le statut de bénédiction ou de malédiction du plastique en agriculture va surtout dépendre de la façon dont il est utilisé, dont il est éliminé et dont il est recyclé. Un concept qui n’est pas très nouveau.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/les-dechets-plastiques-de-lafrique-de-louest-pourraient-alimenter-leconomie-au-lieu-de-polluer-les-oceans-217849">Les déchets plastiques de l'Afrique de l'Ouest pourraient alimenter l'économie au lieu de polluer les océans</a>
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<img src="https://counter.theconversation.com/content/222839/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Martin Henseler ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Le plastique est très utilisé en agriculture pour le paillage des cultures, où il pose des problèmes de pollution. Des alternatives existent, mais elles ne sont pas toujours satisfaisantes.
Martin Henseler, Research Engineer, Laboratoire d’Economie Rouen Normandie, Université de Rouen Normandie
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/212649
2023-09-06T17:39:29Z
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Comment les machines succombent à la chaleur, des voitures aux ordinateurs
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/546469/original/file-20230905-15-qibn1a.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=47%2C23%2C7892%2C5273&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">La chaleur extrême peut affecter le fonctionnement des machines, et le fait que de nombreuses machines dégagent de la chaleur n’arrange pas les choses.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/fr/photos/lJ51y_WOVvw">Afif Ramdhasuma/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>Les humains ne sont pas les seuls à devoir rester au frais, en cette fin d’été marquée par les <a href="https://www.francetvinfo.fr/meteo/canicule/direct-vague-de-chaleur-le-mercure-depassera-les-30-degres-sur-la-quasi-totalite-de-l-hexagone-cet-apres-midi-selon-meteo-france_6042092.html">records de chaleur</a>. De nombreuses machines, allant des téléphones portables aux voitures et avions, en passant par les serveurs et ordinateurs des <em>data center</em>, perdent ainsi en efficacité et se dégradent plus rapidement en cas de <a href="https://doi.org/10.1049/iet-est.2015.0050">chaleur extrême</a>. Les machines génèrent de plus leur propre chaleur, ce qui augmente encore la température ambiante autour d’elles.</p>
<p>Nous sommes <a href="https://scholar.google.com/citations?user=_C33NmEAAAAJ&hl=en">chercheurs en ingénierie</a> et <a href="https://scholar.google.com/citations?user=q0jrPekAAAAJ&hl=en">nous étudions</a> comment les dispositifs mécaniques, électriques et électroniques sont affectés par la chaleur, et s’il est possible de récupérer et de réutiliser cette chaleur efficacement.</p>
<p>Même sans pic de chaleur, aucune machine n’est parfaitement efficace. Toutes subissent des frictions internes en fonctionnement, qui dissipent de la chaleur. Or plus il fait chaud à l’extérieur, plus la température du dispositif sera élevée. </p>
<p>Ainsi, les <a href="https://support.apple.com/en-us/HT201678">téléphones portables</a> et les autres appareils équipés de <a href="http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58145.pdf">batteries lithium-ion</a> ne fonctionnent pas aussi bien au-delà de 35°C — ceci afin d’empêcher la surchauffe et le stress thermique pour les composants électroniques.</p>
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<p>Des systèmes de refroidissement innovants, par exemple basés sur <a href="https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6188826">fluides à changement de phase</a> contribuent à maintenir les appareils à des températures raisonnables, mais dans la plupart des cas, la chaleur reste dissipée dans l’air. Le problème subsiste : plus l’air environnant est chaud, plus il est difficile de maintenir l’appareil suffisamment froid pour qu’il fonctionne efficacement. </p>
<p>En outre, plus les machines sont proches les unes des autres, plus la chaleur dissipée aux alentours est importante. </p>
<h2>Déformation des matériaux</h2>
<p>Les températures élevées dues aux conditions météorologiques ou à la chaleur dissipée par les machines elles-mêmes peuvent entraîner la déformation des matériaux utilisés. Un effet qui se comprend aisément au niveau moléculaire. </p>
<p>À <a href="https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/CLUE%3A_Chemistry_Life_the_Universe_and_Everything/05%3A_Systems_Thinking/5.1%3A_Temperature">l’échelle moléculaire</a>, la température se traduit par la vibration des molécules. Plus il fait chaud, plus les molécules qui composent l’air, le sol et les matériaux des machines vibrent et s’agitent.</p>
<figure>
<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/sNvMfuOvHwg?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">Lorsque le métal est chauffé, ses molécules vibrent plus rapidement, et elles s’éloignent les unes des autres : le métal se dilate.</span></figcaption>
</figure>
<p>À mesure que la température augmente et que les molécules vibrent davantage, l’espace moyen entre elles s’accroît : c’est ainsi que la plupart des matériaux se dilatent en chauffant. C'est le cas sur les routes : le goudron se dilate, se rétracte, et <a href="https://www.heraldnet.com/news/heat-wave-melted-county-roads-buckled-sidewalks/">finit par fissurer</a>. Ce phénomène peut également se produire dans les matériaux qui constituent nos ordinateurs et nos véhicules. </p>
<figure class="align-center ">
<img alt="Sol fissuré" src="https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/546473/original/file-20230905-15-3o4w2r.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Le bitume se fissure sous l’effet de la chaleur, car les températures élevées augmentent la distance entre les molécules, ce qui provoque la dilatation et la déformation du matériau.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/fr/photos/cnOMHANKNX8">Zoshua Colah/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<h2>Retards de voyage et risques pour la sécurité</h2>
<p>Les températures élevées peuvent également modifier les propriétés des huiles de moteur, voire des défaillances. Par exemple, si la température augmente de 17 °C lors d’une vague de chaleur, la viscosité d’une huile standard de moteur — son épaisseur — peut <a href="https://wiki.anton-paar.com/kr-en/engine-oil/">tripler</a>. </p>
<p>Or les fluides tels que les huiles de moteur deviennent plus fluides en chauffant : s’il fait trop chaud, l’huile risque de ne pas être assez épaisse pour lubrifier les pièces du moteur et les protéger efficacement contre l’usure.</p>
<p>À l’inverse, l’air contenu dans les pneus se dilate par temps chaud, et la pression des pneus augmente, ce qui peut <a href="https://www.athensreview.com/news/impact-of-excessive-heat-on-tires/article_31542372-3169-11ee-a135-3711984fefc6.html">accroître l’usure et le risque de dérapage</a>. </p>
<p>Les avions ne sont pas non plus conçus pour voler à des températures extrêmes. En effet, lorsqu’il fait chaud, l’air se dilate et occupe plus d’espace : il est moins dense. Cette <a href="https://www.washingtonpost.com/business/2023/08/01/climate-change-extreme-heat-is-making-air-travel-worse/51ae039c-3077-11ee-85dd-5c3c97d6acda_story.html">densité de l’air réduite</a> diminue le poids que l’avion peut transporter en vol, ce qui peut entraîner d’importants <a href="https://www.usatoday.com/story/travel/airline-news/2023/07/14/extreme-heat-airplane-flight-delay-cancellation/70415739007/">retards</a> ou des annulations.</p>
<h2>Dégradation des batteries</h2>
<p>De façon générale, l’électronique des téléphones portables, ordinateurs personnels et autres centres de données se compose de nombreux matériaux qui réagissent différemment aux changements de température. Comme ils sont proches et dans des espaces restreints, s’ils se déforment différemment les uns des autres, cela peut entraîner une <a href="https://www.pcmag.com/news/asus-confirms-thermal-stress-is-killing-the-rog-ally-sd-card-reader">usure prématurée et une défaillance</a>.</p>
<p>Les batteries lithium-ion des voitures et des appareils électroniques se dégradent plus rapidement à des températures élevées, parce que celles-ci <a href="https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.040">augmentent la vitesse des réactions chimiques au sein des batteries</a>. Notamment, les réactions de corrosion qui consomment le lithium réduisent la capacité de stockage de la batterie. Des recherches récentes montrent que les véhicules électriques maintenus à 32 °C <a href="https://www.recurrentauto.com/research/what-a-c-does-to-your-range">peuvent perdre environ 20 % de leur autonomie</a>.</p>
<p>Les <a href="https://theconversation.com/la-realite-physique-du-monde-numerique-158884">data center</a>, des bâtiments remplis de serveurs stockant des données, doivent dissiper d’importantes quantités de chaleur afin de maintenir leurs composants au frais. Lorsqu’il fait très chaud, les ventilateurs travaillent plus dur pour que les puces ne surchauffent pas. Dans certains cas, des ventilateurs puissants ne suffisent plus à refroidir l’électronique. </p>
<p>Pour maintenir la fraîcheur dans les data centers, l’air sec qui arrive de l’extérieur est souvent envoyé à travers un matériau humide. L’eau s’évapore dans l’air et absorbe la chaleur, ce qui refroidit l’air. Cette technique, appelée « refroidissement évaporatif ou adiabatique », est généralement un <a href="https://doi.org/10.1080/01457632.2018.1436418">moyen économique et efficace</a> de maintenir l’électronique à une température raisonnable. </p>
<p>Mais le refroidissement par évaporation peut nécessiter une <a href="https://doi.org/10.1088/1748-9326/abfba1">quantité importante d’eau</a>. C’est un problème dans les régions où l’eau est rare, où cette eau pour le refroidissement s’ajoute à l’<a href="https://theconversation.com/la-chasse-au-gaspillage-dans-le-cloud-et-les-data-centers-196669">utilisation déjà intense des ressources intense</a> des centres de données. </p>
<h2>Les climatiseurs en difficulté</h2>
<p>Les climatiseurs peinent à fonctionner efficacement lorsqu’il fait très chaud à l’extérieur… au moment où l’on en a le plus besoin. </p>
<p>En effet, lorsqu’il fait chaud, les compresseurs des climatiseurs doivent travailler plus fort pour <a href="https://home.howstuffworks.com/ac.htm">envoyer la chaleur des bâtiments vers l’extérieur</a>, ce qui augmente de manière disproportionnée la consommation et la <a href="https://doi.org/10.1029/2021EF002434">demande globale d’électricité</a>.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="Façade avec de nombreux climatiseurs" src="https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/546478/original/file-20230905-15-hnkx92.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Les vagues de chaleur peuvent mettre à rude épreuve les climatiseurs qui tâchent de dissiper la chaleur.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/fr/photos/ePghIEczhnI">Alexandre Lecocq/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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</figure>
<p>Au Texas, par exemple, chaque augmentation de 1 °C entraîne une hausse <a href="https://www.iea.org/commentaries/keeping-cool-in-a-hotter-world-is-using-more-energy-making-efficiency-more-important-than-ever">d’environ 4 % de la demande d’électricité</a>. </p>
<p>Les fortes chaleurs entraînent ainsi une augmentation stupéfiante de 50 % de la demande d’électricité l’été dans les pays les plus chauds, ce qui augmente la menace de pannes et de <a href="https://www.washingtonpost.com/climate-environment/2022/07/11/texas-record-heat-ercot-power-grid/">pénuries d’électricité</a> — en plus d’augmenter les émissions de gaz à effet de serre.</p>
<h2>Comment prévenir les dommages causés par la chaleur</h2>
<p>Les vagues de chaleur et l'élévation des températures dans le monde entier posent d’importants problèmes à court et à long terme pour les populations comme pour les infrastructures. Heureusement, il y a des choses que l’on peut faire pour minimiser les dégâts.</p>
<p>Tout d’abord, il faut idéalement conserver les machines dans un espace frais, <a href="https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e16102">bien isolé</a> ou à l’abri de la lumière directe du soleil. </p>
<p>De plus, on peut utiliser pendant les heures creuses les appareils à forte consommation d’énergie ou de recharger votre véhicule électrique — lorsque la consommation d’électricité est moindre. Cela permet de limiter les problèmes d’approvisionnement d’électricité au niveau local.</p>
<h2>Réutiliser la chaleur</h2>
<p>Les scientifiques et les ingénieurs développent enfin des moyens d’utiliser et de recycler ces grandes quantités de chaleur dissipée par les machines. Par exemple, on peut utiliser la chaleur résiduelle des data center <a href="https://www.euronews.com/green/2023/03/16/from-heating-swimming-pools-to-vertical-farms-data-centres-are-proving-useful-but-is-it-en">pour chauffer de l’eau</a>.</p>
<p>La chaleur dissipée pourrait également alimenter des systèmes de climatisation, comme les <a href="https://www.energy.gov/eere/amo/articles/absorption-chillers-chp-systems-doe-chp-technology-fact-sheet-series-fact-sheet">refroidisseurs à absorption</a>, qui utilisent l’énergie de la chaleur pour alimenter les refroidisseurs grâce à une série de processus chimiques et de transfert de chaleur.</p>
<p>Dans les deux cas, l’énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir provient d’une chaleur qui est d’ordinaire perdue. La <a href="https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.07.047">chaleur résiduelle des centrales électriques pourrait en principe couvrir 27 % des besoins en climatisation des habitations</a>, ce qui réduirait la consommation globale d’énergie et les émissions de carbone.</p>
<p>Les chaleurs extrêmes affectent de nombreux aspects de la vie moderne, et les vagues de chaleur ne vont pas disparaître pas dans les années à venir. Cependant, il est possible de faire en sorte que la chaleur travaille pour nous.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/212649/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
Plus il fait chaud, plus les appareils mécaniques et électroniques ont du mal à garder la tête froide.
Srinivas Garimella, Professor of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology
Matthew T. Hughes, Postdoctoral Associate, Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/207268
2023-07-06T17:18:08Z
2023-07-06T17:18:08Z
Surcycler des déchets textiles : une piste pour mieux isoler les bâtiments ?
<p>Actuellement, l’<a href="https://theconversation.com/fr/search?q=industrie+textile&sort=relevancy&language=fr&date=all&date_from=&date_to=">industrie textile</a> est le cinquième secteur d’activité le plus polluant au monde. Ce secteur consomme beaucoup d’énergie et d’eau, mais aussi des quantités considérables d’engrais et pesticides pour faire pousser les fibres, et de métaux lourds, phtalates, et colorants pour les transformer. On estime qu’il faut <a href="https://doi.org/10.5194/hess-15-1577-2011">entre 7 000 et 11 000 litres d’eau pour la fabrication d’un seul jean à base de coton</a>.</p>
<p>Parmi les <a href="https://earth.org/statistics-about-fast-fashion-waste/">92 mégatonnes de déchets textiles produits par an</a>, une grande partie est brûlée ou envoyée dans les décharges. Seulement <a href="https://emf.thirdlight.com/file/24/uiwtaHvud8YIG_uiSTauTlJH74/A%20New%20Textiles%20Economy%3A%20Redesigning%20fashion%E2%80%99s%20future.pdf#page=20">14 % de ces déchets sont réutilisés</a> (seconde main) ou recyclés en matériaux à faible valeur ajoutée (sous-cyclage) : rembourrages de matelas, panneaux d’isolation notamment, tandis que 1 % est transformé en nouvelles fibres textiles (recyclage).</p>
<p>Entre 2000 et 2014, le nombre moyen d’habits achetés par individu a doublé et la quantité de déchets a augmenté de 40 % en 30 ans, <a href="https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/style-thats-sustainable-anew-fast-fashion-formula">un phénomène accéléré par la « fast fashion »</a>, le phénomène de renouvellement très rapide des collections de vêtements peu coûteux.</p>
<p>Le <a href="https://theconversation.com/fr/topics/recyclage-21060">recyclage</a> des textiles est indispensable à une transition vers des modèles économiques circulaires et plus durables mais il est aujourd’hui coûteux. Fabriquer des matériaux à haute valeur ajoutée (surcyclage) permettrait de compenser ces coûts et de favoriser le développement de la filière.</p>
<h2>Comment recycler les textiles ?</h2>
<p>Le recyclage des déchets textiles implique l’utilisation de procédés chimique, mécanique, organique ou mixte. L’élaboration de nouvelles fibres filées à partir de déchets textiles est possible pour les tissus d’origine végétale de type coton ou viscose, car ces textiles sont composés d’une seule matière. À savoir que la viscose, aussi appelée « fausse soie », est une fibre artificielle faite à partir de bois et présente une structure chimique finale similaire au coton.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/531967/original/file-20230614-21-ztbp5d.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Du déchet textile au matériau valorisable : monolithes (cylindres) et billes d’aérogels faits à partir de deux tissus 100 % viscose.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Marion Négrier</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Au contraire, les textiles multicomposants sont très difficiles à recycler à cause des <a href="https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/0734242X18819277">propriétés physico-chimiques très variées des différentes fibres</a>. Par exemple, la plupart des fibres synthétiques telles que le polyester ou le polyamide peuvent être chauffées, fondues et mises en forme à haute température (autour de 200 °C), alors que cela est infaisable avec les polymères naturels tels que le coton ou la laine. On ne sait malheureusement pas séparer mécaniquement différents types de fibres actuellement à l’échelle industrielle.</p>
<p>Le développement de nouvelles approches de recyclage des déchets textiles est l’un des <a href="https://www.carnot-mines.eu/fr/carnot-mines-%C3%A0-la-recherche-de-solutions-op%C3%A9rationnelles-%C3%A0-la-question-du-recyclage-des-plastiques,https://www.theses.fr/s259058">principaux axes de recherche de différents projets scientifiques</a>, dont la création de nouveaux matériaux. En effet, aujourd’hui le peu de déchets textiles récupéré et voué à être retransformé suit soit une boucle de recyclage fermée – afin d’être de nouveau utilisé pour créer de nouveaux fils et tissus – soit une boucle ouverte, menant à la création de matériaux différents.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/industrie-de-la-mode-les-effets-tres-limites-du-recyclage-des-textiles-145363">Industrie de la mode : les effets (très) limités du recyclage des textiles</a>
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<p>Actuellement, les matériaux créés en « boucle ouverte » à partir de déchets textiles, comme les rembourrages de matelas, ont une faible valeur ajoutée par rapport à leur matière d’origine, le textile. Ce type de recyclage est donc caractérisé de « sous-cyclage » ou « downcycling ».</p>
<h2>Créer de nouveaux matériaux de haute valeur à partir de déchets</h2>
<p>Les déchets textiles ne font pour l’instant pas l’objet de valorisation par des procédés industriels de surcyclage ou « upcycling » en matériaux à haute valeur ajoutée. Ceux-ci pourraient permettre de contrer les coûts élevés des procédés de recyclage.</p>
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<p>De plus, l’utilisation de l’important gisement de déchets textiles permettrait de valoriser une ressource qui pour le moment est inexploitée, et de répondre à la demande croissante des industriels de remplacement des matières pétrosourcées par des biomatériaux (ici, la cellulose contenue dans les textiles).</p>
<p>C’est pourquoi ma thèse consiste en la transformation de déchets textiles à base de coton ou viscose en matériaux poreux de nouvelle génération et à haute valeur ajoutée, appelés « aérogels ».</p>
<h2>Les aérogels pour l’isolation des bâtiments</h2>
<p>Depuis plusieurs années, des aérogels à base de silice et de polymères pétrosourcés (non biosourcés donc) sont développés et utilisés à petite échelle en tant que « super isolants » thermiques pour le bâtiment – sachant que l’isolation est un des enjeux majeurs de la transition énergétique. Mais le coût élevé des matières premières et des procédés de fabrication impliquant des <a href="https://doi.org/10.1039/C3TA13172F">substances toxiques</a>, ainsi que les mauvaises propriétés mécaniques des aérogels de silice, <a href="https://doi.org/10.1007/s10971-016-4012-5">freinent leur développement à l’échelle industrielle</a>.</p>
<p>Les « bio-aérogels » élaborés à partir de sources naturelles comme la pectine (pépins de pomme et écorce d’agrumes), l’amidon (pomme de terre, riz et maïs) et la cellulose (bois) possèdent des propriétés similaires aux aérogels classiques en termes de porosité et densité. Mais ont l’avantage d’être entièrement composés de matières premières renouvelables, c’est-à-dire inépuisables, sont 100 % biodégradables et non toxiques.</p>
<p>Les bioaérogels 100 % textiles sont dix fois plus légers que l’eau et hautement poreux – le diamètre des pores est compris entre 20 et 100 nanomètres, ce qui les rend invisibles à l’œil nu. Ils contiennent plus de 90 % d’air, et, si on déplie virtuellement un gramme de matériau aérogel, alors sa surface correspond à deux terrains de tennis (environ 400 mètres carrés). Ils présentent également des <a href="https://doi.org/10.1039/D2SU00084A">propriétés similaires aux aérogels faits de cellulose pure standard</a> élaborée en laboratoire.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="microscopie du matériau poreux" src="https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=414&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=414&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=414&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=520&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=520&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/531966/original/file-20230614-27-w4adxa.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=520&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">La structure interne, très poreuse, de notre aérogel de cellulose. La photo couvre environ 25 micromètres en largeur.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Marion Négrier</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>Leur porosité particulièrement élevée devrait permettre leur utilisation en tant que matériaux d’<a href="https://doi.org/10.3390/coatings8100345">isolation thermique</a> et <a href="https://doi.org/10.1002/adem.202201137">acoustique</a> dans le bâtiment et le secteur du transport.</p>
<p>Prenons, par exemple, la <a href="https://doi.org/10.1039/D2SU00084A">transformation en biomatériau d’une chemise 100 % viscose</a> provenant d’un gisement de post-consommation. Après effilochage du tissu, je dissous les fibres grâce à des solvants spécifiques, permettant l’obtention d’une solution de « viscose liquide ». Après avoir fait gélifier ce liquide sous la forme désirée (cylindres, billes, formes sur mesure par impression 3D), j’élimine le solvant et je sèche le gel dans des conditions spécifiques, me permettant d’obtenir un biomatériau sec poreux 100 % textile. Nos tests de conductivité thermique montrent que les aérogels obtenus isolent mieux que les panneaux d’isolation fabriqués en textile recyclés, mais il reste à faire des tests grandeur nature dans des bâtiments. On observe une conductivité thermique entre 0,030 et 0,036 W/mK pour les aérogels face à <a href="https://www.izi-by-edf-renov.fr/blog/isolation-textile-recycle">0.039–0,051 W/mK pour les isolants classiques en textile</a>, qui transmettent donc plus la chaleur.</p>
<p>Une variante de ce procédé permet également de <a href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/su/d2su00084a">recycler le textile multicomposé comme le polycoton (mélange polyester/coton)</a>, où le coton est sélectivement dissous et le polyester récupéré pour être recyclé séparément.</p>
<h2>Les autres applications des aérogels issus de déchets textiles</h2>
<p>La fine porosité des aérogels de cellulose permettrait aussi de fabriquer des <a href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6403747/">filtres à air pouvant être utilisés dans les salles blanches</a> (industrie agroalimentaire, électronique) afin de piéger les particules et éviter les potentielles contaminations.</p>
<p>En plus de leur biocompatibilité, la taille des pores des aérogels de cellulose peut être modifiée et adaptée selon l’application (de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de microns), il est alors possible d’y inclure une substance active et de contrôler son relargage au cours du temps.</p>
<p>Ainsi, ces biomatériaux peuvent être utilisés en tant que <a href="https://doi.org/10.1007/s10570-021-03734-9">matrice contenant des médicaments</a> ou des engrais. Les aérogels de cellulose peuvent également servir à l’élaboration de dispositifs médicaux spécifiques en tant que <a href="http://bmrat.org/index.php/BMRAT/article/view/637">pansement antibactérien</a>, ou comme <a href="https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bm5003976">support tridimensionnel pour la culture cellulaire</a>.</p>
<p>Grâce à leurs propriétés physico-chimiques particulières, les aérogels de textile pourraient ainsi faire l’objet de multiples applications dans des secteurs variés.</p>
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<p><em>Le projet <a href="https://anr.fr/ProjetIA-18-EURE-0021">Biotechnology Building Bio-based Economy</a> est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets. Elle a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’<a href="https://anr.fr/">ANR</a>.</em></p><img src="https://counter.theconversation.com/content/207268/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Le travail de thèse a été financé par l'Institut Carnot M.I.N.E.S. et a bénéficié d'une aide de l’État gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre du programme d’Investissements d’Avenir portant la référence ANR-18-EURE-0021.</span></em></p>
Nous créons de nombreux déchets textiles, qui sont peu recyclés, et encore moins surcyclés. Une piste pour donner plus de valeur à ces fibres mises au rebut.
Marion Négrier, Post-doctorante en chimie des matériaux au CEMEF (Mines Paris - PSL), en collaboration avec le centre RAPSODEE (IMT Mines Albi) et avec le le Centre Thermodynamique des Procédés, Mines Paris - PSL
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/189166
2022-08-29T18:15:08Z
2022-08-29T18:15:08Z
Aléa argileux : c’est l’un des plus importants risques de catastrophe naturelle mais il est médiatiquement invisible
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/480814/original/file-20220824-12-nhs29j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C6%2C4085%2C2713&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Les dégâts des habitations liés au gonflement-retrait représentent le premier poste d’indemnisation au titre de l’assurance dommage-ouvrage pour les sinistres touchant les maisons individuelles.</span> <span class="attribution"><span class="source">Shutterstock</span></span></figcaption></figure><p>Le dérèglement climatique en cours va se traduire par l’accroissement du nombre, de <a href="https://meteofrance.com/changement-climatique/observer/changement-climatique-et-secheresses">l’intensité et de la durée des sécheresses des sols</a> et incidemment par une augmentation des phénomènes de <a href="https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01768395">retrait-gonflement des argiles</a>. </p>
<p>Ce risque naturel est lié à la rétractation (en période de sécheresse) et au gonflement (en période de pluie) de terrains argileux, ce qui fait bouger les fondations des bâtiments et fissure les murs, les dallages ou encore les cloisons de nombreux bâtiments et habitations chaque année.</p>
<p>D’après le <a href="https://www.brgm.fr/fr/actualite/dossier-thematique/risques-amenagement-territoire-retrait-gonflement-argiles">Bureau de recherches géologiques et minières</a> (BRGM) et le <a href="https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/">Ministère de la transition écologique</a>, les dégâts des habitations liés à cet aléa concernent déjà un cinquième du territoire. Ils représentent le <a href="http://www.ecologie.gouv.fr/sols-argileux-secheresse-et-construction">premier poste d’indemnisation au titre de l’assurance dommage-ouvrage</a> pour les sinistres touchant les maisons individuelles. C’est-à-dire bien plus que les indemnisations liées aux avalanches, feux de forêt, séismes ou mouvements de terrain.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/barrages-et-reservoirs-leurs-effets-pervers-en-cas-de-secheresses-longues-111583">Barrages et réservoirs : leurs effets pervers en cas de sécheresses longues</a>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=614&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=614&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=614&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=772&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=772&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/480863/original/file-20220824-20-dn2jqn.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=772&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Explication du phénomène de retrait-gonflement des argiles.</span>
<span class="attribution"><span class="source">M. Villey/BRGM</span></span>
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</figure>
<h2>Un aléa très faiblement médiatisé</h2>
<p>Courant, cet aléa est pourtant très faiblement médiatisé. C’est ce que montre une <a href="https://journals.openedition.org/communication/15149">étude systématique</a> réalisée sur tous les articles de presse publiés dans la presse écrite locale et nationale sur les phénomènes de retrait-gonflement des argiles arrivés dans le Puy-de-Dôme entre 2011/2013 et 2018/2020. Seuls 28 articles ont parlé de l’aléa argileux lors de la première période et 83 lors de la seconde, bien qu’il représente près de 40 % de la sinistralité sur la période 1995-2015 (soit plus de 450 millions d’euros sur cette période) en Auvergne-Rhône-Alpes.</p>
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<p>Qui plus est, ces articles dépendent essentiellement de la publication des arrêtés de reconnaissance de l’état de catastrophe naturelle au Journal officiel dont ils relatent les décisions. Or, ce traitement sous l’angle administratif (et assurantiel) n’est pas anodin. Comme le montre une <a href="https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03518166">deuxième étude</a> portant sur l’implication médiatique de ce cadrage, loin de favoriser une connaissance approfondie du risque, ce traitement se réduit à des brèves succinctes centrées autour des catégories « d’assurés » et « d’administrés. » </p>
<p>Surtout, il place les représentants de l’État et des communes comme principaux acteurs en capacité de résoudre ce problème et, ce, par le remboursement des sinistrés et la publication d’arrêtés de reconnaissance, plutôt que par un accent mis sur des dispositifs, moyens et comportements de prévention ou d’atténuation du risque.</p>
<h2>Enquête auprès des parties prenantes du phénomène</h2>
<p>Pour quelles raisons le retrait-gonflement des argiles ne fait-il pas l’objet d’un traitement médiatique, malgré des dégâts matériels nombreux et répétés ?</p>
<p>Deux élus, quatre responsables associatifs, trois responsables de services techniques, un expert d’assuré indépendant et une architecte ont été questionnés en complément de huit journalistes issus de la presse locale écrite (<em>La Montagne</em>) et audiovisuelle (France Bleu Pays d’Auvergne et France 3 Auvergne-Rhône-Alpes).</p>
<p>Plusieurs raisons ressortent des entretiens menés pour cette <a href="https://www.essachess.com/index.php/jcs/article/view/555">troisième recherche</a>. La première explication, relativement banale, tient à la dimension peu spectaculaire des aléas argileux comparativement à d’autres aléas à la survenue plus soudaine, comme les inondations, les <a href="https://www.cairn.info/revue-natures-sciences-societes-2017-2-page-148.htm">avalanches</a> ou encore les feux de forêt.</p>
<p>Ce constat en rappelle d’autres, dont <a href="https://press.uchicago.edu/ucp/books/book/chicago/N/bo22723661.html">celui du politologue Lance Bennett</a> qui voit dans la dramatisation des informations diffusées sur les risques naturels (le risque climatique dans son cas) une véritable norme journalistique. Ainsi, le caractère peu spectaculaire de l’aléa argileux n’en justifie pas, d’un point de vue journalistique, un traitement aussi approfondi que celui d’autres catastrophes naturelles.</p>
<h2>Peu de sources officielles traitent le sujet sur la durée</h2>
<p>D’autres facteurs tiennent à l’organisation des médias qui s’emparent le plus de ces questions : les médias locaux. Obligés de couvrir un vaste territoire, les journalistes locaux qui doivent traiter ces aléas en sont rarement spécialistes. </p>
<p>Contrairement à leurs confrères spécialisés, ils ne peuvent pas s’appuyer sur un réseau de connaissances et une maîtrise de l’aléa argileux qui en permettraient un traitement à la fois varié, approfondi et – surtout – plus autonome par rapport aux principales sources d’informations. Qui plus est, les sources habituelles des journalistes sur les questions des risques naturels – pompiers, gendarmes… – ne sont pas non plus amenées à intervenir aussi régulièrement sur les dégâts causés par les aléas argileux que sur ceux d’autres risques, ce qui ne les incite pas à s’en faire le relais auprès des journalistes.</p>
<p>Le peu d’entrepreneurs de cause à la disposition des journalistes au sujet des aléas argileux constitue également un frein au traitement approfondi du sujet. </p>
<p>Ainsi, du point de vue des élus locaux, ce n’est pas un problème qui nécessite d’être placé en priorité dans la hiérarchie des sujets à traiter localement, à la fois parce qu’il n’y a pas de consensus sur l’intérêt à rendre publics les sinistres de la part de leurs administrés et parce que se limiter à l’obligation législative d’information évite de produire une mauvaise publicité sur leur commune.</p>
<p>De même, du point de vue des services techniques en charge de la cartographie des zones argileuses risquées, le déploiement d’une communication de prévention ne fait pas partie de leurs missions, a fortiori pour des acteurs qui considèrent que la communication du risque doit avant tout être précise et pédagogique et reposer sur des documents techniques mis à disposition de la population. Enfin, en ce qui concerne les associations de sinistrés, il leur est difficile d’obtenir l’accord de tous leurs adhérents quand il s’agit de rendre publics les sinistres liés au risque argileux, et ce d’autant plus qu’elles ne remettent pas en cause la logique assurantielle actuelle qui prévaut pour la gestion de celui-ci.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/FoQ1vK4x-dI?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">Dans le Lauragais, des maisons fissurées à cause de la sécheresse (France 3 Occitanie/Youtube, 2020)</span></figcaption>
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<h2>Un risque dépolitisé</h2>
<p>Ainsi, plusieurs parties prenantes n’ont pas intérêt à ce que le risque argileux soit érigé en tant que problème public. Deux autres exemples le révèlent également : d’une part, des entrepreneurs immobiliers ne veulent pas toujours dépenser l’argent et le temps nécessaires pour faire les études sur leurs terrains ont tout intérêt à minorer les effets du risque, d’autant plus en l’absence d’un contrôle efficace ; d’autre part, des assureurs rechignent à reconnaître le risque argileux comme la cause des dégâts des habitations pour des raisons financières, d’autant plus que le flou de la réglementation et, surtout, celui des critères/facteurs pris en compte pour la reconnaissance ou encore pour les expertises d’indemnisation offre des interstices dans lesquels ils s’engouffrent pour limiter le nombre d’indemnisations.</p>
<p>Dès lors, en l’état, le risque argileux reste présenté comme un risque dépolitisé qui nécessite uniquement des solutions techniques, des solutions dont la mise en œuvre et la responsabilité incombent aux particuliers et non aux responsables politiques en charge de l’aménagement des territoires, y compris des communes les plus sujettes à ce risque. </p>
<p>Cette situation limite la prise de conscience du phénomène par le grand public et la prise de décisions collectives visant à en réduire l’impact.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/189166/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Sébastien Rouquette a reçu des financements des fonds FEDER Auvergne CPER 2020 et I-Site CAP 20-25 de l’Université Clermont Auvergne pour ce projet de recherche</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Fateh Chemerik et Thomas Bihay ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.</span></em></p>
Les dégâts occasionnés par le retrait-gonflement des argiles concernent des centaines de milliers de maisons en France. Mais ce risque naturel pas assez relayé par les médias.
Sébastien Rouquette, Professeur des universités en sciences de l'information et de la communication, Université Clermont Auvergne (UCA)
Fateh Chemerik, Post-doctorant en sciences de l'information et de la communication, Université Clermont Auvergne (UCA)
Thomas Bihay, Maître de conférences en sciences de l’information et de la communication - Département Infocom, laboratoire GERiiCO (ULR 4073), Université de Lille
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/185653
2022-08-09T20:51:10Z
2022-08-09T20:51:10Z
Faire pousser des isolants thermiques: un panorama des matériaux disponibles en France
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/475859/original/file-20220725-13-5fw7t2.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C2048%2C1502&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Faire pousser des isolants thermiques, c’est possible. Ici, moisson de miscanthus, aussi utilisé pour les biocarburants.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/dhwright/16298647709/">David Wright, Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p>Le secteur du bâtiment représente <a href="https://www.carbone4.com/article-batiment-snbc">30 % des émissions de CO₂ de la France</a>, en prenant en compte la fabrication des matériaux, la construction et l’habitation. Cela en fait un poste clé pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre. </p>
<p>L’amélioration de la performance énergétique des bâtiments est un levier incontournable de cette réduction. La future réglementation en la matière, la <a href="https://www.ecologie.gouv.fr/reglementation-environnementale-re2020">« RE2020 »</a>, et apporte une évolution majeure en proposant de nouveaux indicateurs pour évaluer les impacts environnementaux du bâtiment sur l’ensemble de son cycle de vie.</p>
<h2>Les particules végétales, des atouts pour l’isolation</h2>
<p>Cette nouvelle approche devrait encourager les filières de matériaux qui émettent peu de gaz à effet de serre, comme les « isolants naturels ». Provenant de plantes, ce sont de véritables puits de carbone, en plus d’être <a href="http://www.karibati.fr/materiaux-biosources/bioressources">compostables en fin de vie</a>. Plusieurs sources de ces isolants sont disponibles en France à travers tout le territoire et toute l’année, permettant potentiellement d’assurer une disponibilité locale, réduisant fortement le coût écologique lié au transport.</p>
<p>La propriété recherchée lors de l’incorporation de particules végétales dans des matériaux biosourcés destinés au bâtiment est en premier lieu l’isolation thermique. Cette dernière est le résultat de la très grande porosité naturelle des agroressources. Cette porosité permet d’emprisonner de l’air, naturellement isolant. Les parois des particules végétales sont composées de polymères hydrophiles. Ces polymères peuvent donc servir de liant, un atout pour la conception de certains matériaux. Les applications possibles en écoconstruction des particules varient donc en fonction de leur biochimie et leur microstructure.</p>
<h2>La France, terre d’agroressources</h2>
<p>Répondre aux défis de construire et rénover des bâtiments avec des matériaux de construction biosourcés va nécessiter des quantités gigantesques de ressources végétales et des plantes aux propriétés variées. Fort heureusement, ces sources sont nombreuses et potentiellement importantes. La grande majorité de ces agroressources provient de cultures annuelles et notamment de leurs tiges végétales. Les options sont très nombreuses : tournesol, colza, maïs, blé, orge, avoine, seigle, chanvre, riz, miscanthus, roseau sont tous explorés pour des utilisations en écoconstruction.</p>
<p>Historiquement en France, les premières particules végétales identifiées pour la fabrication d’ <a href="http://www.karibati.fr/materiaux-biosources/bioressources">« agrobétons »</a> sont les co-produits issus du défibrage des tiges de chanvre. Les cultures de chanvre et de lin textile visent principalement à produire des fibres. Le défibrage des tiges de ces plantes produit des <a href="https://www.construction21.org/france/articles/h/UniLaSalle-particules-vegetales-en-abondance-et-renouvelables-dossier-biosources.html">particules végétales</a> appelées anas de lin pour la tige de lin et chènevottes pour la tige de chanvre.</p>
<p>Il existe d’autres cultures à fort potentiel sur le sol français. Par exemple, le miscanthus, ou « herbe à éléphant », implanté pour produire de la biomasse en vue d’une <a href="https://france-miscanthus.org/debouches/energie-renouvelable">valorisation en bioénergie</a>, a un rendement intense, de 15 à 20 tonnes par hectare et par an. Le broyage de la tige de miscanthus produit un seul type de particules végétales qui pourraient être aussi utilisées en écoconstruction.</p>
<h2>Arbitrer entre plusieurs applications</h2>
<p>Le total des différents gisements annuels recensés sur le territoire français peut être estimé à potentiellement plus de 15 millions de tonnes de ces particules végétales. Ce chiffre comprend les particules ayant déjà des voies de valorisation, telles que le paillage horticole, la litière animale, la bioénergie.</p>
<p>Concernant les tiges non récoltées aujourd’hui (tournesol, colza, maïs, une partie des céréales), il est nécessaire de prendre en compte le besoin agronomique du sol de prévoir d’y laisser de la biomasse. Laisser la moitié permettrait de <a href="https://www.strategie.gouv.fr/sites/strategie.gouv.fr/files/atoms/files/fs-dt_-_biomasse_agricole_-_quelles_ressources_pour_quel_potentiel_energetique_-_29-07-21.pdf">s’affranchir des dangers agronomiques</a>.</p>
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<p>S’il y a compétition entre ces différentes applications, le gisement annuel est tellement gigantesque que toutes les voies de valorisation utilisant des particules végétales pourront être fournies <a href="https://www.construction21.org/france/articles/h/UniLaSalle-particules-vegetales-en-abondance-et-renouvelables-dossier-biosources.html">sans crainte de concurrence</a>.</p>
<h2>Une complémentarité géographique…</h2>
<p>Les cultures du chanvre et du miscanthus proposent des surfaces limitées mais promettent d’être implantées sur tout le territoire. Les cultures de maïs et des céréales couvrent pratiquement tout le territoire français, avec des répartitions plus ou moins homogènes selon les régions. Les autres cultures considérées ont des territoires précis.</p>
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<img alt="Carte montrant la répartition géographique des différentes cultures intéressantes pour l’éco-construction" src="https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=504&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=504&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/471900/original/file-20220630-15-1jxc0g.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=504&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Carte montrant la répartition géographique des différentes cultures intéressantes pour l’éco-construction.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Hélène Lenormand</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>On remarque une complémentarité de ces zones, laissant apercevoir que l’ensemble du territoire français peut être couvert pour les gisements de particules végétales provenant des différentes cultures. La valorisation locale des particules peut ainsi être envisagée, ce qui permettrait de limiter l’empreinte carbone liée au transport de ces matières légères et volumineuses.</p>
<h2>… et temporelle</h2>
<p>La plupart des cultures considérées sont des cultures annuelles, c’est-à-dire que la récolte se réalise une fois par an, à un moment précis de l’année.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="Tableau montrant les périodes de récolte des cultures annuelles françaises intéressantes pour l’éco-construction" src="https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=182&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=182&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=182&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=228&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=228&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/471902/original/file-20220630-21-ywstnt.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=228&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Périodes de récolte des cultures annuelles françaises pouvant générer des particules végétales pour la construction.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Hélène Lenormand</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>Il apparaît que la diversité des cultures et donc les différentes périodes de récolte associées permettent une complémentarité temporelle assurant une disponibilité de matière végétale tout au long de l’année. Elle permet d’éviter des contraintes liées à des stocks longs.</p>
<p>Issues de la nature, les particules végétales présentent inévitablement des propriétés variables, mais étant donnée la multitude de cahiers des charges des matériaux biosourcés pour la construction, la diversité et complexité des particules végétales deviennent alors sources de potentialités.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/185653/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Hélène Lenormand (UniLaSalle) a reçu des financements de l'ADEME, la région Normandie et la métropole de Rouen. </span></em></p>
La France regorge de cultures pouvant potentiellement servir à fabriquer des matériaux d’isolation naturelle pour l'écoconstruction.
Hélène Lenormand, Enseignant-chercheur spécialisée en polysaccharides, UniLaSalle
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/184695
2022-06-21T19:20:10Z
2022-06-21T19:20:10Z
Images de science : d’où viennent les orgues basaltiques ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/467739/original/file-20220608-12-hzhpmo.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=12%2C3%2C2032%2C1361&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Des orgues basaltiques de la Chaussée des Géants, au nord de l'Irlande.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/harquail/43191172421/in/photolist-28NE3Nz-KgKBkF-6sbjPp-LjS6c9-2mLLhFj-2mLzipv-dcWs2S-2kwaMFo-2ivGNr4-eVfLo-bWZv3k-2dZX228-2mRbzjM-2kg3sHY-8tov8D-8trqUN-8traSJ-8tort4-8toqm4-5PtPew-8trejy-8trcBS-a3Z5wu-8touuV-8trAdh-8totVM-8tovSF-2ivEeRA-8trgVh-8trfCo-8trPaQ-8toHHR-8to8AD-8trkPw-8trged-2kwqdk8-8tomcr-8truyA-8tocG2-8tranG-8toJgk-8trL87-8trHLf-8trdc7-8trGzd-8toL2B-8trNtL-72AKLW-AGXzhD-8trEBL">Shawn Harquail, Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/">CC BY-NC</a></span></figcaption></figure><p>Cette photographie montre des orgues basaltiques. On peut en trouver partout dans le monde, là où des coulées de magma émises par des volcans se sont solidifiées et refroidies. Ces structures spectaculaires et fascinantes ont fait, et continuent de faire, l’objet de nombreux travaux, tant de caractérisation sur le terrain et au laboratoire, que de modélisation à caractère physico-chimique et mathématique.</p>
<p>Un exemple très connu est celui de la <a href="https://whc.unesco.org/fr/list/369/">Chaussée des Géants</a> en Irlande. À cet endroit, comme ailleurs également, on peut voir les colonnes des orgues, mais aussi la structure en coupe, et donc l’intérieur de chaque colonne hexagonale de basalte. Ceci permet de mieux comprendre comment ces magnifiques structures se forment.</p>
<p>En effet, l’explication la plus courante de la formation des orgues basaltiques est celle de la « contraction thermique ». Lorsque le basalte remonte depuis les profondeurs de la croûte terrestre, la masse solide refroidit : elle est encore chaude, pas encore structurée mais déjà solidifiée. Alors, la matière se contracte et des fractures de retrait apparaissent et forment les contours rectilignes des différents hexagones. L’analogie mise en avant est celle de la boue séchée qui se rétracte et fait apparaître des pavages de polygones. Les orgues poussent perpendiculairement aux bords des coulées de lave, et parallèlement aux gradients thermiques.</p>
<p>Mais cette explication ne suffit pas pour toutes les observations : dans la section des colonnes hexagonales, on voit parfois un <a href="https://www.researchgate.net/publication/44294458_Comments_on_Basalt_columns_Large_scale_constitutional_supercooling_by_John_Gilman_JVGR_2009_and_presentation_of_some_new_data_J_Volcanol_Geotherm_Res_184_2009_347-350">dessin circulaire</a>. Des structures radiées à partir du centre peuvent aussi se rencontrer, respectant également une symétrie cylindrique.</p>
<h2>Quand les structures à petite échelle permettent de comprendre celles à grande échelle</h2>
<p>Comment expliquer ces structures circulaires et radiées ? Elles manifestent une structuration interne précoce de la masse solide, au contraire de l’hypothèse de contraction d’une masse solide homogène.</p>
<p>La science des matériaux fournit des indices précieux. En effet, les métallurgistes spécialistes de la solidification des alliages métalliques <a href="https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6296922q/f53.item">observent des structures colonnaires analogues dans leurs lingots</a>. Dans des conditions particulières de gradient thermique, l’interface entre le liquide et le solide présente des « digitations » : des doigts de solide se développent et avancent dans le liquide. Ils finissent par se souder les uns aux autres, c’est ce qui fait apparaître les orgues. La contraction thermique postérieure éventuelle de la masse solide peut suivant les cas disjoindre les prismes préalablement formés.</p>
<p>Le mécanisme précédent de digitation peut jouer dans le cas de la prismation des roches volcaniques : il permet d’expliquer les structures circulaires et radiées, ainsi que l’organisation en grand des coulées où les deux mécanismes (contraction/digitation) peuvent jouer, et enfin de rendre compte des caractères des <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00710-020-00719-7">orgues un peu particulières</a> découvertes dans le terril de la Ricamarie près de Saint-Étienne, où des restes de charbon ont brûlé au sein de grès et d’argilites et formé des magmas.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/184695/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Bernard Guy ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
De magnifiques colonnes hexagonales sont créées par la nature, comme à la Chaussée des Géants en Irlande.
Bernard Guy, Enseignant-chercheur, Mines Saint-Etienne – Institut Mines-Télécom
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/183734
2022-05-24T17:58:04Z
2022-05-24T17:58:04Z
Eloan : « Pourquoi les planètes sont rondes et jamais d’une autre forme ? »
<p>Dès que l’on pense à la forme d’un objet céleste familier, Terre, Soleil, Lune, planètes, c’est la sphère qui vient à l’esprit.</p>
<p>Mais une fois que l’on a vu les principaux membres de la famille du Soleil, notre curiosité peut nous conduire à visiter les autres astres. Et là, surprise : la loi générale ne semble plus s’appliquer. Mars, par exemple, possède deux satellites qui ne sont pas sphériques. Leurs dimensions se chiffrent en dizaines de kilomètres, ils ressemblent à de gros cailloux. La comète de Halley, dont la dernière visite à proximité de la Terre remonte à 1986, a été photographiée à cette occasion : elle est aussi comme un gros caillou d’une dizaine de kilomètres.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/465112/original/file-20220524-19-7ahlu0.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Les astéroïdes ne sont pas de forme sphérique.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia24472-psyche-asteroid-illustration-16_0.jpg">NASA</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Pourquoi les gros objets célestes sont-ils sphériques alors que les petits ne le sont pas ? Y a-t-il, dans leur histoire, quelque chose qui les distingue radicalement les uns des autres ?</p>
<p>La réponse est oui et tient à la façon dont se forme un système stellaire : une étoile et tous ces objets qui gravitent autour d’elle. La compréhension que nous en avons aujourd’hui est la suivante : à la suite de quelque événement violent dans une galaxie, comme l’explosion d’une supernova (explosion d’une grosse étoile en fin de vie), un nuage de gaz et de poussières commence à s’effondrer sur lui-même.</p>
<p>Cet effondrement s’accompagne d’une augmentation de température à tous les niveaux : celui de l’étoile centrale, dont la température atteint plusieurs millions de degrés ; celui des planètes rocheuses aussi, qui, en se compactant vont atteindre des températures de milliers de degrés ; et même celui des planètes gazeuses plus éloignées du Soleil. Notre question initiale se transforme en celle-ci : pourquoi un corps céleste liquide ou gazeux est-il sphérique ?</p>
<p>Du coup, nous pouvons observer autour de nous les formes que prennent les liquides et les gaz. Commençons par un liquide. Voici une série d’expériences simples que chacun peut faire dans sa cuisine et qui répondent à la question.</p>
<p>1re expérience : on verse (doucement) un peu d’huile d’olive dans un verre d’eau ; c’est bien connu, l’huile forme un film à la surface de l’eau.</p>
<p>2<sup>e</sup> expérience : on verse (doucement également) un peu d’huile dans un verre d’alcool à brûler ; on constate que l’huile coule au fond du verre et forme un film au fond du verre.</p>
<p>L’huile est moins dense que l’eau et plus dense que l’alcool. Dans le premier cas, elle subit une force appelée poussée d’Archimède supérieure à son poids, ce qui la fait flotter à la surface. Dans le second, cette poussée n’est pas suffisante et l’huile reste au fond. Que se passe-t-il à présent si l’on verse (doucement) de l’eau dans le verre d’alcool ? Comme l’eau et l’alcool se mélangent, petit à petit la densité du mélange augmente, la poussée d’Archimède du mélange augmente aussi et vient un moment où le mélange et l’huile ont la même densité. Quelle forme prend l’huile à ce moment ?</p>
<p>Regardez : on obtient de belles gouttes d’huile sphériques qui flottent dans le mélange !</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=385&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=385&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=385&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=483&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=483&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/464991/original/file-20220524-15-7vm6rw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=483&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">à gauche : film d’huile au fond d’un verre d’alcool (le jaune de la surface n’est que le reflet du fond) ; à droite : gouttelettes d’huile dans un mélange eau-alcool de même densité que l’huile.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>Que nous apprend cette expérience ? Les molécules l’huile s’attirent les unes les autres et elles sont également soumises à la pesanteur de la Terre. Lorsque le mélange eau-alcool a la même densité que l’huile, tout se passe comme si l’on avait supprimé la pesanteur, puisque la poussée d’Archimède compense le poids, et on constate que dans ces conditions, l’huile prend une forme sphérique. C’est la forme la plus compacte possible.</p>
<p>Le problème de physique est devenu un problème de géométrie : que signifie précisément « la forme la plus compacte » ? C’est la forme qui, pour un volume donné, a la plus petite surface, ou, de façon équivalente, la forme qui, pour une surface donnée, a le plus grand volume. On peut démontrer que c’est la sphère qui répond à ces deux définitions possibles.</p>
<p>Un liquide, soumis aux seules forces intérieures, adopte toujours une configuration sphérique. Voilà pourquoi les planètes rocheuses, comme la Terre, qui se sont formées dans un état liquide, ont une forme sphérique. Et aussi pourquoi des objets qui ont toujours été solides, comme les astéroïdes et les comètes, ne sont pas sphériques.</p>
<p>Et les objets célestes gazeux ? Sur Terre, un gaz occupe tout le volume qui lui est offert, la gravité n’est pas suffisante pour jouer un rôle. Mais lorsqu’une grande masse de gaz est concernée, alors c’est différent, la gravitation est capable de la maintenir sous une forme compacte. À commencer par le Soleil, ou Jupiter, dont la masse est un millième de celle du Soleil (et environ 300 fois celle de la Terre), ou Saturne, dont la masse est environ 100 fois celle de la Terre.</p>
<hr>
<figure class="align-left ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption"></span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p><em>Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : <a href="mailto:tcjunior@theconversation.fr">tcjunior@theconversation.fr</a>. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/183734/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Jacques Treiner ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
C’est vrai que les planètes sont rondes, mais pas d’autres objets dans l’espace, comment expliquer cette différence ?
Jacques Treiner, Physicien théoricien, Université Paris Cité
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/182158
2022-05-18T17:58:57Z
2022-05-18T17:58:57Z
Centrales hydroélectriques : comprendre la fissuration des turbines pour prolonger leur durée de vie
<p>En 2021, 12 % de la production électrique en France a été assuré par les 2 300 <a href="https://bilan-electrique-2021.rte-france.com/production_totale/">centrales hydroélectriques présentes sur le territoire</a>. Pour soutenir la transition énergétique et suivre les recommandations du dernier rapport du GIEC, la part de l’énergie hydroélectrique doit être plus importante.</p>
<p>Dans ce contexte, les installations hydroélectriques vont devoir travailler davantage hors des conditions optimales initialement prévues. L’évolution de ces conditions vers des plages de fonctionnement étendues (débit, hauteur de chute) entraîne des sollicitations mécaniques plus importantes sur les différents équipements, en particulier sur la turbine.</p>
<p>De nombreuses recherches scientifiques sont donc menées pour mieux sélectionner les matériaux des turbines afin d’augmenter leur durée de vie. Il faut également <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043164811003358">développer des revêtements protecteurs</a> qui permettraient de retarder l’apparition de fissures dans les aubes de turbines, dont une des causes est l’implosion de bulles de vapeur d’eau générées par le mouvement de la turbine.</p>
<p>Les turbines de type Francis, équipant par exemple la centrale des Brévières en aval du barrage de Tignes, en Savoie, sont particulièrement sujettes à la « cavitation », qui peut créer ces fissures.</p>
<h2>Qu’est-ce qu’est la cavitation ?</h2>
<p>Lorsque l’on chauffe un liquide, des bulles apparaissent : c’est l’« ébullition ». De façon similaire, l’eau liquide se transforme en vapeur lorsque l’on diminue la pression, et des bulles de vapeur apparaissent : ce phénomène est appelé « cavitation ». À proximité d’une turbine, l’apparition de ces bulles de vapeur d’eau est causée par la chute locale de la pression, provoquée par la rotation de la turbine couplée à la rapide vitesse d’écoulement de l’eau.</p>
<p>Les bulles sont libres de se déplacer dans le liquide. Lorsqu’elles atteignent une région où la pression de l’eau est plus importante, elles implosent violemment. Si la bulle est éloignée de la surface de la turbine, son implosion s’effectue de manière symétrique et la bulle rétrécit jusqu’à disparaitre.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=244&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=244&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=244&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=307&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=307&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/460259/original/file-20220428-22-s9sx53.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=307&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">La baisse de pression provoque l’apparition d’une bulle d’eau vapeur dans l’eau liquide. Quand la bulle arrive dans une zone de forte pression, elle implose. À proximité d’une surface, comme une pale de turbine par exemple, cela provoque un jet d’eau et des ondes de choc qui créent des dommages sur le matériau.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Julien Hofmann</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>En revanche, si la bulle se trouve proche de la surface de la turbine, son implosion, équivalente à un effondrement, s’effectue en direction de la turbine. Cette implosion génère un jet de liquide et des ondes de choc. L’interaction de ces deux phénomènes frappant la surface provoque la détérioration de la turbine habituellement fabriquée en acier inoxydable : piqûres, fissuration, arrachement de matière.</p>
<h2>Des turbines aux essais en laboratoire</h2>
<p>Afin de comprendre les détériorations provoquées par la cavitation sur les turbines, différents équipements sont développés en laboratoire. Deux d’entre eux permettent d’accélérer le processus d’endommagement par rapport aux conditions réelles.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/460763/original/file-20220502-21-xj6od4.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Turbine Francis aux aubes érodées par la cavitation, après de précédentes réparations par apport et soudage d’acier inoxydable.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_Francis#/media/Fichier:Turbine_Francis_Worn.JPG">Wikimedia</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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<p>Le premier outil est un « tunnel d’essais » : l’eau est accélérée à plusieurs dizaines de mètres par seconde afin de produire la chute de pression nécessaire à l’apparition des bulles. Du fait de l’importante vitesse d’écoulement de l’eau, ce type d’essais est qualifié d’« hydrodynamique ».</p>
<p>Le second type d’équipement est un processeur à ultrasons, très utilisé dans le cadre des études sur la cavitation. Les ondes générées dans l’eau font chuter la pression du liquide et des bulles de cavitation naissent : ces essais sont de type « vibratoire ».</p>
<p>Les deux équipements utilisés engendrent des conditions extrêmes d’érosion par cavitation qui permettent d’encadrer les conditions dans un écoulement réel : trous de faibles profondeurs (quelques centaines de nanomètres) et grande fréquence d’apparition (plusieurs milliers par seconde par millimètre carré) pour les essais vibratoires contre des trous de fortes profondeurs (quelques microns) et à basse fréquence (quelques centaines par seconde par millimètre carré) pour l’essai hydrodynamique.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=393&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=393&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=393&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=493&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=493&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/460261/original/file-20220428-20-42jk0m.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=493&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Image par microscopie électronique à balayage de fissures de cavitation sur de l’acier inoxydable. Le matériau a été soumis à des essais de cavitation vibratoire pendant 9h.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Julien Hofmann</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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<p>Après plusieurs dizaines de minutes d’exposition, les aciers inoxydables, principaux matériaux utilisés pour la fabrication des turbines, se fissurent. Les conditions d’essais en laboratoire sont évidemment plus agressives que les endommagements réels sur les turbines !</p>
<h2>Observer la formation de fissures</h2>
<p>Les fissures sont observées à la surface des matériaux grâce à la microscopie électronique, afin d’en déterminer leur dimension et leur orientation, l’influence de la nature chimique du matériau, la perte de matière, le type de sollicitations mécaniques, etc.</p>
<p>L’observation « en volume » est quant à elle réalisée grâce à la tomographie aux rayons X : cette technique d’imagerie, équivalente à un scanner médical dans des gammes d’énergies différentes, permet d’obtenir des informations de l’intérieur du matériau.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=452&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=452&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=452&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=568&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=568&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/460764/original/file-20220502-14592-rqqhx1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=568&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Tunnel d’essais hydrodynamiques, où les matériaux sont endommagés par la cavitation avant d’être analysés par microscopie électronique et par tomographie aux rayons X.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Julien Hofmann</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
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<p>Pour suivre la propagation de ces fissures dans l’espace et dans le temps, nous développons un appareil capable de générer des bulles de cavitation s’insérant au sein de grands instruments, tel que l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble). Nous pourrons ainsi observer des fissures submicroniques.</p>
<p>Les résultats issus des essais en laboratoire vont permettre dans un premier temps de mieux sélectionner les matériaux pour la fabrication des turbines en fonction de la vitesse d’écoulement de l’eau et de la hauteur de l’installation hydroélectrique, puis, dans un second temps, de développer des revêtements protecteurs pour les turbines du futur.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/182158/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Julien Hofmann a reçu des financements de la Fondation Grenoble INP.
Ce projet a été financé par la Chaire Hydro'like portée par la Fondation Grenoble INP grâce au mécénat de General Electric.</span></em></p>
Les pales des turbines hydroélectriques sont sujettes à des dommages, notamment liés à la cavitation. Comment les étudier ?
Julien Hofmann, Doctorant en science des matériaux, Institut polytechnique de Grenoble (Grenoble INP)
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/164422
2021-10-24T15:29:11Z
2021-10-24T15:29:11Z
Peur de l’avion ? Les scientifiques veillent sur votre sécurité
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/428118/original/file-20211024-17-1m54gz4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=12%2C38%2C4268%2C2760&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Les matériaux qui composent les ailes d'avion doivent être très résistants.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/rf6ywHVkrlY">Ross Parmly / Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><figure class="align-right ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=222&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=222&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=222&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=279&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=279&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/418707/original/file-20210831-15-1io1ckg.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=279&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
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<p><em>Cet article est publié dans le cadre de la prochaine Fête de la science (qui aura lieu du du 1<sup>er</sup> au 11 octobre 2021 en métropole et du 5 au 22 novembre 2021 en outre-mer et à l’international), et dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « Eureka ! L’émotion de la découverte ». Retrouvez tous les événements de votre région sur le site <a href="https://www.fetedelascience.fr/">Fetedelascience.fr</a>.</em></p>
<hr>
<p>Au commencement était le feu. Il y a <a href="https://www.histoire-pour-tous.fr/inventions/2909-la-decouverte-du-feu-500000-av-jc.html">environ 1 million d’années</a>, l’homme domestiquait celui qui allait changer définitivement le cours de l’humanité. Et il faut se souvenir que c’est bien pour le progrès de la civilisation que Prométhée a volé le feu aux Dieux. Ce feu qui suscite de nombreux sentiments contradictoires : sécurité, danger, crainte, réconfort, douleur, espoir. Il arrive parfois que cet ami du quotidien échappe à notre contrôle. Des incendies de forêt aux incendies d’habitation, tout le monde redoute ces scénarii catastrophes. Encore davantage quand on prend l’avion ou qu’un incendie se déclare en vol. Qui n’a jamais tremblé devant un film catastrophe dans lequel un avion en feu s’écrase sur fond de musique dramatique ?</p>
<p>Mais pas panique ! Les ingénieurs et les chercheurs travaillent pour choisir des matériaux et concevoir des avions respectant les normes de sécurité parmi les plus exigeantes. Ainsi, les matériaux retenus pour des applications aéronautiques doivent scrupuleusement répondre à de nombreux critères : toxicité, résistance au feu, production de fumée, combustion…</p>
<p>Dans le domaine aéronautique, les matériaux composites sont les plus utilisés (<a href="https://www.industrie-techno.com/article/l-a350-xwb-premier-airbus-avec-plus-de-50-de-composites.23272">50 % de la masse de l’avion</a>) car ils offrent un très bon compromis entre propriétés mécaniques (rigidité, résistance) et légèreté. Ces matériaux dits « composites » associent généralement des renforts fibreux (essentiellement des fibres de carbone comme dans les raquettes de tennis ou les vélos des coureurs du Tour de France) et une matrice (le liant ou la colle entre les fibres) polymère (aussi connue sous le nom de plastique). Le renfort confère au matériau de bonnes propriétés mécaniques tandis que la matrice permet de coller les fibres entre elles.</p>
<p>Un avion est constitué de différentes pièces assemblées les unes aux autres. Le choix du matériau pour ces différentes pièces dépend principalement de la zone où elles se situent. La zone moteur et les pièces attenantes sont parmi les plus critiques de l’avion. Notamment lorsque le moteur prend feu. Dans ce cas, les avions sont conçus pour que le pilote dispose de <a href="https://www.iso.org/standard/23569.html">15 petites minutes</a> pour poser son appareil. Pendant ces 15 minutes, la flamme (issue de la combustion du carburant – le kérosène – et du plastique) ne doit pas traverser les pièces composites et la pièce doit conserver une tenue mécanique suffisante.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=359&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=359&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=359&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=451&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=451&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/428116/original/file-20211024-15-1ccd2tr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=451&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Illustration du couplage thermo-mécanique.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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<p>Pour prévenir ces conditions critiques et éviter des conséquences dramatiques potentielles, il est nécessaire d’étudier l’influence de la chaleur et d’un chargement mécanique (les forces qui s’exercent sur les différentes pièces de l’avion) pour bien comprendre leurs interactions. Imaginez ce qu’il se passe quand vous mettez un verre sur une plaque de chocolat (figure ci-dessus) et qu’elle se met à fondre… Concrètement, quand on expose une pièce composite à une flamme, la matière plastique va ramollir, fondre (se transformer en liquide) puis se pyrolyser (se transformer en gaz). Ces gaz vont alors alimenter la flamme et faciliter la propagation de l’incendie. Évidemment, la capacité de la pièce à supporter une force (le poids du moteur par exemple) va être fortement réduite. Et ce sont ces interactions qu’il faut comprendre.</p>
<p>Les dimensions caractéristiques des pièces composites aéronautiques varient de quelques dizaines de cm à des structures de l’ordre du mètre. La difficulté consiste alors à reproduire au mieux à l’échelle du laboratoire (à petite échelle donc) les conditions réelles d’une agression thermique combinée à un chargement mécanique. Les <a href="https://www.iso.org/standard/23569.html">règles de certification</a> (autorisation) aéronautiques définissent une température de flamme de 1150 °C et un flux thermique (la chaleur dégagée par unité de surface) d’environ 120kW/m<sup>2</sup>. Il est donc nécessaire de développer des moyens techniques spécifiques permettant de mesurer toutes les grandeurs physiques (température, force, déformation) impliquées dans les phénomènes physiques mis en jeu lors d’un incendie moteur. Dans ces conditions extrêmes, il y a quand même de bonnes nouvelles. L’humanité a acquis depuis des millénaires des connaissances et outils qui éclairent les ingénieurs et les chercheurs sur la manière de concevoir les pièces composites en aéronautique.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/428117/original/file-20211024-19-qcyhmd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Banc d’essai reproduisant l’effet simultané d’une flamme et d’un chargement mécanique.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>C’est avec cet esprit que nos laboratoires de recherche <a href="http://gpm.univ-rouen.fr">GPM</a> (Groupe de Physique des Matériaux -) et <a href="https://www.coria.fr">CORIA</a> (Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aero-thermo-chimie –) ont mis en commun leurs compétences et conjugué leurs efforts pour développer un banc d’essais (une machine prototype dédiée à l’étude de certains phénomènes – vois ci-dessus) original dans le cadre d’un projet, baptisé Aeroflamme, financé par la région Normandie et l’Europe.</p>
<p>Ce banc associe un bruleur kérosène (imposant une flamme) et un vérin hydraulique (imposant une force). Il intègre également différents outils de mesure : caméra infra-rouge (mesure de température), capteur de déplacement (mesure de la déformation) et de force. Avec ce banc d’essai, il est alors possible de mieux comprendre le comportement au feu des matériaux composites et plus spécifiquement le couplage (les interactions) entre l’effet de la flamme/chaleur sur l’évolution des propriétés/comportement mécanique.</p>
<p>Dans ces conditions, la pièce composite résiste bien pendant 15 minutes… mais elle pourrait résister davantage. La science est à bord, bon vol !</p>
<p>L’utilisation de matériaux composites innovants dans les applications aéronautiques est confrontée aujourd’hui à des normes de sécurité toujours plus exigeantes auxquelles il est impératif d’apporter des réponses fiables et pertinentes. Aussi, permettre aux industriels de l’aéronautique de comprendre/prédire la tenue au feu de leurs matériaux et, in fine de leurs pièces et assemblages est primordial. Nos travaux de recherche sur les matériaux aéronautiques s’inscrivent donc dans la logique de certifier des nouveaux matériaux pour des applications dans un environnement haute-température voire lors d’un événement critique incendie. Ces matériaux sont fournis par des industriels de l’aéronautique.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/164422/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Benoît Vieille ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Comment les scientifiques testent-ils les composants des avions pour certifier qu’ils pourront résister à des conditions extrêmes ?
Benoît Vieille, Professeur en mécanique des matériaux aéronautiques, INSA Rouen Normandie
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tag:theconversation.com,2011:article/159500
2021-10-10T16:46:20Z
2021-10-10T16:46:20Z
De nouvelles perspectives pour le recyclage de plastiques : une avancée pour l’environnement
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/425584/original/file-20211010-23-buvddw.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C8%2C5991%2C3979&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Stock de bouteilles d'eau.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/OTDyDgPoJ_0">Jonathan Chng / Unsplash</a></span></figcaption></figure><p>En quelques dizaines années, et après avoir pris enfin conscience que nos bouteilles en plastique finissaient en microplastiques dans l’océan, on est passé du « plastique c’est fantastique » au « plastic-bashing ». Dans ce contexte, certains semblent vouloir même se débarrasser totalement et radicalement des matières plastiques, une famille de matériaux aux propriétés inégalées et aux usages multiples. Ils préconisent en remplacement, par exemple, l’utilisation d’autres matériaux qui auraient une meilleure image, tels que le papier.</p>
<p>Originellement, le terme « plastique » ne fait nullement référence à l’origine du matériau mais à son comportement. Aussi les « bioplastiques » issus de la biomasse (nature) sont aussi des matières plastiques. Ils ont le même type de comportement, voire les mêmes structures chimiques, que certains autres issus de ressources fossiles. Le terme « plastique » a été très récemment défini par la Commission européenne dans une directive sur les plastiques à usage unique en précisant que c’est un matériau à base de polymères, en excluant les polymères « naturels » non modifiés.</p>
<p>Certains éléments ne sont pas intuitifs, par exemple, certains polymères issus de ressources fossiles sont biodégradables, compostables alors que d’autres, pourtant issus de la biomasse (nature) ne le sont pas notamment sur des temps courts. C’est le cas par exemple de certains composés phénoliques tels que les lignines issus du bois.</p>
<p>Autre exemple, pour revenir à la référence précédente au papier, ce matériau aux propriétés remarquables n’est malheureusement pas totalement « environnemental ». Au-delà des procédés de production de la pâte à papier, il ne faudrait pas oublier que dans la formulation de ce matériau et pour lui apporter de vraies propriétés d’usage (tenus à l’eau, aux graisses…), on rajoute pendant le procédé en quantités non négligeables de différents polymères synthétiques, ce qui n’est d’ailleurs pas sans poser problème lors du recyclage de ce matériau. Sans ces ajouts, ce matériau ne serait qu’un « buvard » formé de fibres cellulosiques et de charges minérales.</p>
<p>Un autre exemple : on entend souvent plébisciter la biodégradation par compostage des matières plastiques. Pourtant, cette approche très intéressante présente des limites majeures. En effet, la biodégradation génère in fine des gaz à effet de serre, tels que le gaz carbonique et le méthane, qui sont difficilement valorisables avec une perte énorme de richesses notamment structurales par rapport au matériau initial. De plus, seuls quelques polymères sont biodégradables qu’ils soient issus de la biomasse, tel que l’amidon, ou synthétique, issus des ressources fossiles, tel que par exemple le polycaprolactone. Enfin, on attend souvent des matériaux, de longues tenues dans le temps dans une très grande majorité des usages. Vous n’attendez pas que le clavier de votre ordinateur se biodégrade, par exemple. Vous voulez le garder intact et fonctionnel le plus longtemps possible.</p>
<p>La recherche s’est emparée de la question des matières plastiques et de l’environnement depuis fort longtemps. Par exemple, la question problématique de la fin de vie des matières plastiques est abordée depuis des décennies dans différents laboratoires de recherche. Cette tendance s’est très largement amplifiée pendant cette dernière décennie dans un contexte de fortes attentes sociétales. Actuellement tout s’accélère aussi dans ce domaine de la recherche. Le nombre d’appels à projets dans ce domaine, les possibilités de financement explosent, et pas uniquement au niveau régional ou national. L’Europe a financé de très nombreux projets dans le cadre d’Horizon 2020 (H2020) et le programme actuel « Horizon Europe » ne fait qu’amplifier cela au service global de l’innovation et de la science en Europe.</p>
<p>Dans ce contexte global, <a href="https://icpees.unistra.fr/">notre laboratoire</a>, qui s’était saisi du thème des matières plastiques pour l’environnement il y a environ 25 ans, a récemment développé une nouvelle approche de recyclage novateur de matériaux plastiques en fin de vie, suite à différents projets financés par l’Europe et l’Université, au travers de ses fondations.</p>
<p>Comme le montre l’exemple très récent de Carbios (France) dans le domaine du PET (Bouteilles d’eau…), la R&D dans le domaine du recyclage s’est aussi récemment orientée vers la dégradation enzymatique contrôlée pour recycler des matières plastiques.</p>
<p>Les enzymes sont des protéines avec des activités catalytiques il sont produits par différents micro-organismes tels que des bactéries ou des champignons. En mettant en contact des enzymes avec les matières plastiques en fin de vie, on produit des briques moléculaires. À partir de ces briques, on va pouvoir obtenir une seconde génération de polymères par synthèse chimique. La première étape enzymatique permet la déconstruction du matériau et la seconde étape permet la construction d’un nouveau matériau. Comme une vieille maison que l’on déconstruit en récupérant les briques pour en reconstruire une toute neuve.</p>
<p>Cette approche circulaire peut être bouclé un très grand nombre de fois.</p>
<p>Notre équipe de recherche a développé récemment cette approche de biorecyclage sur une famille de polymères difficile à recycler que sont les Polyuréthanes. Il s’agit de la cinquième famille de matières plastiques. Les Polyuréthanes sont formés de groupes chimiques appelés « uréthanes », lesquels sont obtenus par réaction rapide entre des polyols, des molécules qui portent des fonctions alcools (-OH) et d’autres, des polyisocyanates, à base de groupements isocyanates (-NCO) lesquels sont connus pour être particulièrement toxiques avant de réagir.</p>
<p>Les polyuréthanes c’est avant tout des mousses (65 %). Vous êtes sûrement assis sur des mousses polyuréthane que vous trouvez aussi dans les matelas, les sièges auto, l’isolation thermique dans les bâtiments…</p>
<p>Ces mousses ont une structure dite « réticulée » cela veut dire que, si vous les chauffez, elles ne se ramollissent pas avant de se dégrader et carboniser.</p>
<p>Il est donc impossible de faire du recyclage en faisant fondre la matière comme cela se fait communément pour les thermoplastiques, tel que le PET.</p>
<p>Ces polyuréthanes ont des propriétés exceptionnelles pour l’économie d’énergie dans le bâtiment, l’amortissement… mais ils posent actuellement des problèmes en fin d’usage. On les retrouve par exemple en trop grande quantité dans les microplastiques. En effet, résistants et souvent de très faible densité (mousses), ils se dispersent facilement dans la nature après usage.</p>
<p>Au-delà des groupes uréthanes (-NCOO-) qui sont connus pour être particulièrement résistants, ces plastiques portent aussi des groupes ester (-COO-). Ce sont ces derniers qui sont cassés en utilisant des enzymes en préservant les groupes uréthanes intacts.</p>
<p>Pour casser ces fonctions ester, il existe une large famille d’enzymes : les estérases. Une fois le réseau cassé, déconstruit, par ces enzymes, on obtient des briques moléculaires qui portent des groupes chimiques actifs. Ceux-ci vont pouvoir être utilisés pour synthétiser une seconde génération de polymères tels que des polyuréthanes, et ceci sans utiliser de composés toxiques. Au-delà du recyclage des mousses en fin d’usage, faire des polyuréthanes sans ajout de composés toxiques est aussi un point majeur de l’ensemble de la démarche !</p>
<p>Une nouvelle vie est donc possible pour les mousses usagées (matelas…), pour éviter qu’elles ne terminent en fines particules dans l’environnement. Cela permettrait, de leur donner une nouvelle vie en les transformant en chaussure de sport, par exemple, ou en de nouvelles mousses.</p>
<p>Afin de pouvoir profiter de ces dernières avancées, un changement d’échelle est actuellement amorcé, du niveau du laboratoire vers l’échelle pilote dans un premier temps.</p>
<p>En combinant chimie et biotechnologie, nous pouvons aujourd’hui faire de nouveaux matériaux avec une approche respectueuse de l’environnement mais aussi circulaire, dans un contexte de développement durable ! On parle de « bioéconomie circulaire » !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/159500/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>L'Institut et l'équipe de recherche du Prof. Luc Avérous recoivent des financements des fondations de l'Université de Strasbourg, de la région Alsace, de l'ANR, du PIA, de l'Europe et de certaines entreprises (de gré à gré) dans le contexte de l'activité du groupe de recherche académique du Prof. Luc Avérous au sein de l'Université et du CNRS, mais sans aucun financements directs.</span></em></p>
Et si on utilisait des enzymes pour recycler les plastiques ?
Luc Avérous, Professeur des Universités en Science et Ingénierie des Polymères, Université de Strasbourg
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tag:theconversation.com,2011:article/162954
2021-09-15T19:11:07Z
2021-09-15T19:11:07Z
L’impression 3D, une révolution pour le secteur du BTP ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/416769/original/file-20210818-13-gxa2gc.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C2%2C1385%2C920&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">L'imprimante du BTP Maxi printer de «&nbsp;Constructions 3D&nbsp;».</span> <span class="attribution"><span class="source">Constructions 3D</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span></figcaption></figure><p>Un <a href="https://chroniques-architecture.com/dubai-apis-cor-impression-3d-bureaux/">immeuble de bureaux de deux étages</a> a été imprimé à Dubaï en 2019, devenant le plus grand bâtiment imprimé au monde par sa surface, 640 mètres carré. En France, XtreeE prévoit de construire cinq maisons destinées à la location pour fin 2021 dans le projet <a href="https://xtreee.com/project/viliaprint-cinq-maisons-individuelles/">Viliaprint</a>. <a href="https://www.constructions-3d.com/">Constructions 3D</a>, avec qui je réalise ma thèse, a imprimé les murs du pavillon de son futur siège en seulement 28 heures.</p>
<p>Aujourd’hui, il est possible d’imprimer des bâtiments. Entre sa rapidité et la variété des formes architecturales qu’elle permet de réaliser, l’impression 3D laisse envisager un secteur du BTP plus économe et plus écologique.</p>
<p>L’impression 3D consiste à reproduire un objet modélisé sur ordinateur grâce à la superposition de couches de matière. Aussi appelée fabrication additive, elle se développe dans le monde entier et tous les domaines, de la plasturgie à la médecine, ou de l’agroalimentaire à la construction.</p>
<p>Pour l’impression 3D de bâtiments, le mortier, composé de ciment, d’eau et de sable, s’écoule à travers une buse reliée à une pompe via un tuyau. Les tailles et types d’imprimantes varient d’un constructeur à un autre. Il y a d’une part les imprimantes « cartésiennes » (haut/bas, gauche/droite, avant/arrière) le plus souvent installées dans un système de cage et dont la taille des éléments imprimés dépend totalement. D’autre part il existe des imprimantes munies d’un bras robotisé, comme la <a href="https://www.constructions-3d.com/la-maxi-printer">« maxi printer »</a>, qui peuvent être déplacées sur n’importe quel chantier et permettent d’imprimer directement sur place les différentes parties d’une structure, avec une plus large gamme de taille d’objets.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/416771/original/file-20210818-25-18klydg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Pavillon imprimé par Constructions 3D à Bruay-sur-l’Escaut.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Constructions 3D</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Aujourd’hui, des spécialistes de l’impression 3D béton sont présents partout dans le monde, par exemple COBOD au Danemark, Apis Cor en Russie, XtreeE en France ou encore Sika en Suisse. Toutes ces entreprises ont un but commun : démocratiser la construction des bâtiments grâce à la fabrication additive.</p>
<h2>Du laboratoire à l’« échelle 1 »</h2>
<p>L’impression 3D nécessite des mortiers aux caractéristiques bien particulières et dont le comportement doit être en mesure d’évoluer très rapidement.</p>
<p>De fait, ces matériaux sont complexes et leur caractérisation toujours en développement : les mortiers doivent être assez fluides afin d’être « pompables » sans créer de bouchons dans le tuyau, et « extrudables » pour sortir de la buse d’impression sans blocage. Une fois déposé sous forme de cordon, le mortier doit changer très rapidement de comportement afin de supporter son propre poids ainsi que le poids des couches qui lui seront superposées. Aucun étalement de matériau ni « flambement de structure » n’est permis, car ils pourraient détruire l’objet. Par exemple, une forme simple de type carrée est sensible au flambement, c’est-à-dire à l’effondrement de l’objet, car aucune matière ne peut aider au maintien latéral des parois de la structure. Les formes composées de spirales et de courbes permettent d’augmenter la stabilité de l’objet et donc de limiter les risques de flambement.</p>
<p>Ces quatre critères (pompabilité, extrudabilité, constructibilité et esthétique) définissent le <a href="https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02900865/">cahier des charges</a> des encres cimentaires. Le mode de mise en œuvre du mortier ne doit pas en pénaliser les caractéristiques liées au service de l’objet telles que les résistances mécaniques ou les propriétés liées à la durabilité du mortier en question. Ainsi, le système d’impression, en comparaison avec une mise en place traditionnelle des mortiers, ne doit pas altérer les performances du matériau aussi bien en termes de résistances (en flexion et compression), mais également en termes de longévité.</p>
<p>De plus, le mortier doit posséder une taille de granulats et une composition globale adaptées au système d’impression. Certains systèmes, comme celui utilisé pour la « Maxi printer », nécessitent que tous les constituants du mortier hormis l’eau soient sous forme solide. Cela implique de trouver les adjuvants (produits chimiques permettant de modifier le comportement du matériau) adéquats. Les tests d’impression à l’échelle 1 nécessitent l’utilisation de très grandes quantités de matériaux.</p>
<p>Dans un premier temps les mortiers, aussi appelés encres, sont testés en laboratoire, à petite échelle, afin de limiter les quantités de matériaux utilisés. Un pistolet à silicone peut alors simuler l’impression et permettre la validation de plusieurs critères. Moins subjectifs, certains essais rendent mesurable le <a href="https://www.icevirtuallibrary.com/doi/abs/10.1680/jmacr.20.00193">caractère « constructible » des encres</a> tel que <a href="https://doi.org/10.1680/jmacr.20.00193">l’essai au « fall cone »</a> qui permet d’observer l’évolution du comportement du mortier au cours du temps, à l’aide d’un cône venant pénétrer le matériau à intervalles réguliers.</p>
<p>Une fois les mortiers validés au laboratoire, il convient de les tester à l’échelle 1, pour vérifier la pompabilité du matériau et les autres critères liés à l’imprimabilité.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/416772/original/file-20210818-27-13hdzxe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Mini printer.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Estelle Hynek</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Il faut noter qu’à ce jour, il n’existe pas de normes françaises ou européennes donnant des critères spécifiques de performances aux mortiers imprimables. De plus, les objets imprimés en 3D ne sont pas autorisés à être utilisés en tant qu’éléments porteurs d’un bâtiment. Il faudrait pour cela obtenir une certification, comme ce fut le cas pour le projet <a href="https://www.constructioncayola.com/batiment/article/2020/11/04/130801/viliaprint-est-parti-pour-impression-3d-beton">Viliaprint</a>.</p>
<h2>Trouver des substituts aux composants habituels du mortier pour des encres plus écologiques et économiques</h2>
<p>Les mortiers imprimables sont aujourd’hui majoritairement composés de ciment, un matériau bien connu pour son <a href="https://www.infociments.fr/ciments/les-nouveaux-ciments-bas-carbone">impact important en émission de CO₂</a>. Afin d’obtenir des encres plus écologiques et économiques, l’enjeu est donc de réaliser des encres cimentaires dont la part « <a href="https://www.infociments.fr/enjeux-societe/la-fabrication-du-ciment-source-maitrisee-de-co2">clinker</a> » (le composé principal du ciment, obtenu par calcination de calcaire et d’argile) serait diminuée, pour limiter l’impact carbone des mortiers et leur coût.</p>
<p>C’est dans cette optique que <a href="https://popups.uliege.be/nomad2018/index.php?id=207&file=1">l’IMT Nord-Europe</a> s’attelle à l’incorporation de sous-produits industriels et d’additions minérales dans ces mortiers. Par exemple, le <a href="https://www.infociments.fr/glossaire/filler">« filler calcaire »</a> est une poudre très fine de calcaire, le <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Laitier_(m%C3%A9tallurgie)">« laitier de haut-fourneau »</a> est un coproduit de l’industrie sidérurgique, le <a href="http://doc.lerm.fr/information-normative-le-point-sur-les-metakaolins/">métakaolin</a> est une argile calcinée (la kaolinite), les cendres volantes peuvent être issues de la biomasse (ou de la combustion du charbon pulvérisé dans les chaudières des centrales thermiques), les <a href="https://fr.wiktionary.org/wiki/MIDND">MIDND</a> sont des mâchefers d’incinération de déchets non dangereux, ou encore les briques concassées et broyées. Tous ces matériaux ont été utilisés dans les encres à base cimentaire pour l’impression 3D afin de remplacer partiellement voire totalement le liant, c’est-à-dire le ciment.</p>
<p>Du côté du « squelette » granulaire du mortier, habituellement composé de sable naturel, on envisage aussi des substitutions. Ainsi, le projet européen <a href="https://www.nweurope.eu/projects/project-search/cirmap-circular-economy-via-customisable-furniture-with-recycled-materials-for-public-places/">CIRMAP</a> vise à substituer totalement le sable naturel par du sable recyclé constitué le plus souvent de béton concassé recyclé, issu de la déconstruction de bâtiments.</p>
<p>Les difficultés liées aux substitutions du liant et du squelette granulaire sont multiples : les additions minérales peuvent rendre le mortier plus ou moins fluide qu’initialement, entraînant des conséquences sur les caractères extrudable et constructible de l’encre, et les résistances mécaniques en flexion et/ou compression peuvent également être fortement impactées selon la nature du matériau utilisé et le taux de substitution du ciment.</p>
<p>Bien que l’impression 3D soulève de nombreuses problématiques, cette nouvelle technologie permet la fabrication de réalisations architecturales audacieuses et devrait permettre de réduire les risques présents sur les chantiers actuels de construction.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/162954/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Estelle Hynek a reçu des financements de Constructions 3D, l'I-Site et la région Hauts de France.</span></em></p>
Imprimer des bâtiments, c’est possible. L’objectif serait de rendre le secteur du BTP plus économe et écologique en travaillant notamment sur de nouveaux matériaux.
Estelle Hynek, Doctorante en Génie Civil, IMT Nord Europe – Institut Mines-Télécom
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tag:theconversation.com,2011:article/163368
2021-07-27T18:21:39Z
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Les diatomées, ces algues qui fabriquèrent du verre bien avant les humains
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/408145/original/file-20210624-23-qp4tcb.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C1%2C1019%2C678&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Bord brisé d’une diatomée, algue aux structures nanométriques. La barre blanche représente 200 nanomètres.</span> <span class="attribution"><span class="source">©Serge Berthier, Sorbonne Université</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span></figcaption></figure><p>Cette étonnante architecture est le bord brisé d’une diatomée, une microalgue photosynthétique apparue sur terre – ou plutôt dans la mer – il y 200 millions d’années environ. Les diatomées, de leur nom scientifique « Bacillariophycées », sont répandues dans toutes les eaux du monde, douces, salées ou saumâtres et plus abondamment dans les eaux froides. On en connaît plus de 100 000 espèces. Elles constituent un des <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Puits_de_carbone#Oc%C3%A9ans">plus importants puits de carbone sur terre</a> (le phytoplancton absorbe 40 % du CO<sub>2</sub> sur terre et émet 60 % du dioxygène), loin devant les forêts, et participent ainsi à la lutte contre le réchauffement climatique.</p>
<p>Mais elles ont bien d’autres choses à nous apporter. En effet, ce sont, avec certaines éponges, les premiers « verriers » sur Terre, car leur « carapace », ou frustule, est en fait une cage de verre. Chez les humains, nous attribuons la découverte du verre translucide aux Mésopotamiens, vers 4 500 ans av JC : en portant du sable et de la soude à plus de 1000 degrés, ils parvinrent à les faire fondre pour obtenir une pâte visqueuse et transparente. Les techniques ont beaucoup évolué depuis, mais une chose n’a pas changé : il faut chauffer à très haute température.</p>
<p>Les diatomées (et les éponges) montrent qu’il est possible de faire du verre à température ambiante, ouvrant ainsi la voie à ce que l’on appelle aujourd’hui la <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Chimie_douce">chimie douce</a>. Le procédé « sol-gel » est maintenant bien compris et maîtrisé : une molécule d’acide sicilique Si(OH)4 présente naturellement dans l’eau est décomposée en dioxyde de silicium (le verre ou silice) et deux molécules d’eau. La silice ainsi obtenue est utilisée par la diatomée sous forme de nano billes pour fabriquer son frustule, cage de verre transparente, laissant passer la lumière pour permettre la photosynthèse, et percée de trous pour les échanges de nutriments avec l’extérieur.</p>
<p>Les verres que nous fabriquons industriellement en imitant les diatomées ne sont plus uniquement à base de silicium. On fabrique ainsi du dioxyde de titane (TiO2) et de zircone (ZrO2) pour l’optique, des oxydes d’aluminium (Al2O3) de tungsten (WO3) pour de diverses applications industrielles (électrochrome, matériaux réfractaires…). Ces verres trouvent de nombreuses applications par exemple des nanocapsules pour le transport de médicaments dans le corps ou des films anti-rayures pour les optiques.</p>
<figure class="align-right ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=946&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=946&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=946&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1188&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1188&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/408202/original/file-20210624-21-6ytwkn.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1188&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Vue au microscope électronique à balayage du frustule d’<em>Odontella mobiliensis</em>. Ces rangées de trous de 200 nm de diamètre et régulièrement espacés agissent comme des réseaux de diffraction concentriques qui concentre la lumière sur l’axe de la diatomée.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Serge Berthier, Sorbonne Université</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Mais ces petites algues ont bien d’autres choses à nous apprendre. Elles maîtrisent la lumière comme personne et pratiquent, depuis la nuit des temps, la <a href="https://theconversation.com/au-xxi-siecle-la-lumiere-sinvite-dans-les-nouvelles-technologies-152019">photonique, cette nouvelle science que nous ne développons que depuis quelques décennies</a>. Faire de la photonique, c’est jouer avec la lumière, la manipuler, la freiner, la confiner… Pour cela, il faut construire des objets bien particuliers, de structure périodique. La période de la structure photonique doit être du même ordre de grandeur que celle de la lumière (la lumière est une onde, donc périodique), voire plus petite, c’est-à-dire d’une centaine de nanomètres. Pas facile. Mais c’est pourtant ce que réalise cette petite algue, comme on peut le voir sur la photo suivante.</p>
<p>Cela confère aux frustules des diatomées de nombreuses propriétés optiques. Elles peuvent par exemple filtrer les ultraviolets nocifs pour la plante, mais également concentrer la lumière sur l’axe de la diatomée, favorisant ainsi la photosynthèse. Les diatomées ont ainsi inventé les <a href="https://www.canon.fr/pro/infobank/lenses-multi-layer-diffractive-optical-element/">lunettes diffractives</a>.</p>
<p>Notre groupe de recherche imagine maintenant qu’il serait peut-être possible d’utiliser cette propriété pour concentrer la lumière sur la zone sensible des panneaux solaires photovoltaïques pour en augmenter le rendement, en déposant à la surface une monocouche de diatomées sphériques.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/163368/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Serge Berthier a reçu des financements de ANR, HFSP</span></em></p>
Ces algues étonnantes ont trouvé comment fabriquer du verre sans chauffer à haute température. On s’en inspire aujourd’hui.
Serge Berthier, Professeur en physique, Sorbonne Université
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tag:theconversation.com,2011:article/159391
2021-06-16T17:30:55Z
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Systèmes à base de graphène : où en est-on du difficile passage à l’échelle industrielle ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/404769/original/file-20210607-28372-11rxxdg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=16%2C7%2C1005%2C872&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Le graphène, combiné avec d'autres matériaux, permet d'attendre de nombreuses propriétés physiques et chimiques, ouvrant la voie à de potentielles applications. Ici, des nanofibres de carbone couvertes de graphène.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/zeissmicro/31235545401/">ZEISS Microscopy, Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span></figcaption></figure><p>Lorsqu’en 2004, Konstantin Novoselov et Andre Geim de l’Université de Manchester ont annoncé dans le <a href="http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/pdf/mesoscopic/publications/graphene/Science_2004.pdf">journal Science</a> avoir isolé une feuille unique de graphène – un cristal bidimensionnel de carbone ayant une structure en nid d’abeille, l’onde de choc dans le monde scientifique a été immense.</p>
<p>La technique utilisée par Konstantin Novoselov et Andre Geim est extrêmement simple : ils ont utilisé du scotch pour isoler pas à pas des couches de graphite, comme celles que l’on trouve dans les traces de simples crayons à papier, pour obtenir au final une couche unique, du graphène. Ce coup de génie leur a valu le prix Nobel de Physique en 2010.</p>
<h2>Des propriétés qui sortent de l’ordinaire</h2>
<p>La structure du graphène lui confère une série de propriétés extraordinaires même à température ambiante. Regardons-les d’un peu plus près. En étant purement bidimensionnel et d’épaisseur d’un atome, le graphène est un matériau extrêmement léger : une surface équivalente à un champ de foot pourrait être recouverte par une couche de graphène pour un poids total inférieur à un gramme. En étant de l’épaisseur d’un atome de carbone, une feuille de graphène assure la transmission de l’amplitude d’un rayon de lumière blanche à plus de 95 %, ce qui le place bien au-dessus du verre classique, qui n’en transmet que 80 %.</p>
<p>Sa structure lui confère une conductivité thermique extraordinaire, bien supérieure à celle du cuivre et même au-delà de celle du diamant lorsque le graphène est « suspendu », c’est-à-dire qu’il n’y a pas de « substrat », de surface dessous pour le soutenir.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/le-graphene-ou-la-revolution-programmee-de-lelectronique-cest-pour-bientot-157436">Le graphène ou la révolution programmée de l’électronique : c’est pour bientôt ?</a>
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<p>L’enthousiasme du monde académique pour le graphène a été immédiat et de nombreuses applications ont vu le jour rapidement notamment dans le domaine de l’électronique.</p>
<h2>Du laboratoire au grand public</h2>
<p>De par ses propriétés extraordinaires, le graphène est déjà inclus ou est en passe de l’être dans le renforcement des matériaux en <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642517300968">remplacement des nanotubes de carbones</a>, le traitement des surfaces de verre <a href="https://www.nature.com/news/graphene-the-quest-for-supercarbon-1.14193">pour les vitres intelligentes, les lunettes et pour les écrans tactiles</a>, en passant par la <a href="https://www.graphene-info.com/graphene-water-treatment">filtration de l’eau</a> grâce à sa structure en nid d’abeille atomique, les <a href="https://www.graphene-info.com/graphene-batteries">batteries électriques</a> et l’<a href="https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/applications/electronics/">électronique flexible</a> pour des systèmes enroulables et pliables extrêmement fins. </p>
<p>Dans le domaine de la santé, le graphène participe à des <a href="https://www.chemeurope.com/en/publications/702661/graphene-quantum-dots-band-aids-used-for-wound-disinfection.html">pansements intelligents</a> et à des <a href="https://www.theengineer.co.uk/graphene-production-200-times-capacity/">traitements contre le cancer</a> malgré une <a href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrestox.0c00340">potentielle toxicité</a> selon les cas.</p>
<p>Toutefois, pour le moment il est essentiellement utilisé comme composant secondaire ou d’appoint.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Un dispositif électronique à base de graphène en laboratoire, vu en microscopie optique.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/cambridgeuniversity-engineering/9415593436/">Matteo Bruna, Department of Engineering, University Of Cambridge/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>C’est comme substituant du silicium que l’utilisation du graphène pur présente de nombreuses promesses pour réaliser un véritable bond technologique. Dès 2011, IBM a présenté le premier circuit intégré ayant un <a href="https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/34726.wss">transistor exclusivement en graphène</a>.</p>
<p>Cependant, aujourd’hui encore la majorité des produits développés s’arrêtent à la phase du prototypage et une utilisation dans des systèmes commerciaux du graphène reste encore problématique.</p>
<h2>Le difficile passage à l’échelle industrielle</h2>
<p>En effet, plusieurs facteurs empêchent une vraie industrialisation à large échelle. Le coût d’obtention de plaquettes de graphène (de taille micronique sur une épaisseur atomique) reste encore trop élevé, autour de 100 à 700 euros par kilogramme. La largeur de cette fourchette de prix est influencée par <a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/abddcd">plusieurs facteurs</a>, tels que la qualité du graphène souhaitée, la taille des plaquettes et la technique de production. Par exemple, une feuille de 1 centimètre carré de graphène pur coûtera bien plus cher à faire qu’une multitude de plaquettes représentant la même surface au total.</p>
<p>La mise en place et l’optimisation de procédés industriels adéquats demandent des investissements considérables. Plusieurs méthodes ont été développées afin d’aboutir à la production de feuillets de graphène, par exemple l’<a href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c3cs60217f">exfoliation mécanique en phase liquide</a>, le <a href="https://science.sciencemag.org/content/324/5932/1312.abstract">dépôt chimique en phase vapeur</a>, l’<a href="http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/penicaud2.htm">oxydation de graphite en milieu acide</a> et récemment la <a href="https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0">méthode du chauffage flash</a> de produits carbonés comme les déchets alimentaires, les plastiques. Des entreprises commencent aussi à développer des <a href="https://www.theengineer.co.uk/graphene-production-200-times-capacity/">approches nouvelles</a> pour produire du graphène à grande échelle. Ces techniques sont efficaces, mais leur mise en place et leur optimisation requièrent des moyens encore considérables.</p>
<h2>Niche du marché malgré les milliards investis</h2>
<p>Ainsi, les produits à base de graphène constituent, pour le moment, une niche du marché qui ne réussit pas vraiment à décoller. En 2019, la <a href="https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/graphene-industry">taille du marché</a> du graphène a été estimée à « seulement » 79 millions de dollars, alors que celle du <a href="https://www.alliedmarketresearch.com/carbon-nanotube-market">marché des nanotubes de carbone</a> par exemple a été estimée à 2,6 milliards de dollars. D’ici 2027, la croissance du marché du graphène devrait être de 38 %, mais dans le même temps celui des nanotubes de carbone devrait atteindre 5,8 milliards de dollars. L’industrie du graphène est toujours perçue par les potentiels investisseurs comme un marché encore immature à cause d’un <a href="https://www.nature.com/articles/s41563-021-00999-0">manque de standardisation et de fiabilité</a> sur les propriétés du produit vendu. Cette vision par les bailleurs de fonds du marché du graphène reste le principal frein d’expansion et de développement de ce marché spécifique.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Encre de graphène, à base de graphite en poudre dans de l’alcool. Les encres électroniques comme celles-ci permettent d’imprimer des circuits électroniques avec des imprimantes jet d’encre.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/cambridgeuniversity-engineering/29839773526/">James Macleod, Department of Engineering, University Of Cambridge/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Néanmoins, diverses industries et de grands groupes comme Samsung ont commencé depuis 2014-2015 à investir dans des programmes internes de plusieurs milliards d’Euros afin de développer de nouveaux produits à base de graphène, ou du moins utilisant certaines des propriétés remarquables de celui-ci. L’Union européenne a alloué un <a href="https://graphene-flagship.eu/collaboration/about-us/the-graphene-flagship/">programme de financement</a> décennal d’un milliard d’Euros depuis 2013 pour le développement du secteur de la R&D autour du Graphene. En 2020, celle-ci a complété ce programme par un <a href="https://cordis.europa.eu/project/id/952792">autre programme de financement</a> de quatre ans de 20 millions d’euros avec l’objectif le développement et l’introduction dans le marché de nouveaux composants électroniques à base de graphène.</p>
<p>Des initiatives similaires ont été mises en place dans le monde. En 2015, la Corée du Sud a alloué un investissement quinquennal de 108 millions de dollars pour encourager la commercialisation du graphène. En Chine, le gouvernement a identifié l’industrialisation du graphène comme une des priorités dans son plan de développement pour la période 2016-2020. En 2013, le « Graphene Council » a été fondé aux États-Unis. Cette association a pour but de servir de réseau pour la communauté mondiale du graphène. Elle propose par exemple des <a href="https://www.thegraphenecouncil.org/page/VerifiedProducer">services de certification pour les différents producteurs de graphène</a> pour créer des standards de production et de qualité qui puissent être reconnus par de potentiels investisseurs.</p>
<p>Les systèmes « tout graphène » ne sont pas encore prêts pour passer des applications en laboratoire vers l’industrie. Cependant, les investissements et les progrès sont réels. Si nos ordinateurs ont un jour des fréquences de calcul de plusieurs térahertz sans surchauffer, ou que nos véhicules électriques alimentent nos logis en électricité, il y a de fortes chances pour que le graphène ait quelque chose à voir là-dedans.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/159391/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
Le graphène suscite de grands espoirs applicatifs mais peine à parvenir à l’échelle industrielle.
Serena Gallanti, Assistant Professor - Energy storage, ECE Paris
Filippo Ferdeghini, Enseignant-chercheur en nanoscience, ECE Paris
François Muller, Enseignant-Chercheur en nanosciences et nanotechnologies, ECE Paris
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tag:theconversation.com,2011:article/161385
2021-06-14T17:16:24Z
2021-06-14T17:16:24Z
Batteries « vertes », un avantage compétitif pour l’Europe
<p>Dans sa transition vers l’électromobilité, l’Europe fait face à un double défi : combler son retard industriel dans les batteries et réduire l’incidence environnementale de leur fabrication.</p>
<p>En clair, les batteries doivent être européennes et vertes pour que la bascule du moteur thermique vers l’électrique soit à la fois conforme aux intérêts stratégiques et aux valeurs de l’Europe. Telle sera la double condition de son acceptabilité politique et sociale.</p>
<p>L’alignement entre objectifs climatiques et industriels est au cœur du projet de Pacte vert européen (<em>Green Deal</em>). C’est même devenu un impératif pour réussir la relance économique et s’extraire de la rivalité sino-américaine pour le contrôle des technologies.</p>
<p>Sans verser dans le protectionnisme vert, l’Europe entend jouer à armes égales avec ses concurrents en s’intéressant aux conditions de fabrication des produits commercialisés sur son territoire. Pour y parvenir, l’outil le plus débattu est celui de la taxation du carbone aux frontières, mais l’approche normative est tout aussi prometteuse et le nouveau projet de <a href="https://eur-lex.europa.eu/resource.html">règlement européen sur les batteries</a> devrait en faire la démonstration.</p>
<h2>Concevoir dans la transparence</h2>
<p>Forte de son expérience réussie en matière d’étiquetage énergétique, la Commission européenne veut encourager l’écoconception des batteries pour véhicules électriques en exigeant la transparence sur des indicateurs clés comme l’empreinte carbone, la proportion de contenu recyclé ou la durée de vie.</p>
<p>Dans un second temps, des « classes de performance » seraient introduites pour faciliter l’appropriation de ces informations par le consommateur, puis des seuils obligatoires seraient fixés pour accéder au marché intérieur européen.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1336343593196400644"}"></div></p>
<p>L’enjeu n’est pas de faire obstacle à la montée en puissance du véhicule électrique. Au périmètre européen, ses émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble du cycle de vie <a href="https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/1f494180-bc0e-11ea-811c-01aa75ed71a1=#12">sont en moyenne inférieures de 55 %</a> à un équivalent thermique.</p>
<p>Cette réduction <a href="https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/1f494180-bc0e-11ea-811c-01aa75ed71a1">atteint 75 %</a> si le véhicule est utilisé dans un État membre au mix électrique hautement décarboné comme la Suède, et elle reste tout de même de <a href="https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/1f494180-bc0e-11ea-811c-01aa75ed71a1">17 % en Pologne</a> où les centrales au charbon dominent l’approvisionnement électrique.</p>
<h2>Optimiser le cycle de vie</h2>
<p>Toutefois, l’électromobilité doit s’inscrire dans une perspective à long terme de neutralité climatique et il faut pour cela viser les processus de fabrication des batteries, qui compterait pour <a href="https://group.volvocars.com/news/sustainability/2020/%7E/media/ccs/Volvo_carbonfootprintreport.pdf=#24">plus d’un quart de l’empreinte carbone des modèles les plus récents</a>.</p>
<p>Bien qu’incomplète, la littérature académique permet d’identifier les étapes les plus énergivores de leur production. Elle appelle en particulier à innover pour réduire les consommations énergétiques associées à la fabrication des cellules et des matériaux actifs, et à mobiliser des sources d’électricité décarbonées pour couvrir les besoins incompressibles.</p>
<p>Moins explorés à ce jour, l’extraction et le raffinage des matières premières minérales offrent également un grand potentiel de différenciation verte.</p>
<p>Couplées à la prévention des risques locaux de nature environnementale et sociale, les considérations d’empreinte carbone pourraient influencer le choix des chimies de batteries, des gisements et évidemment des opérateurs miniers et des raffineurs en fonction de leurs pratiques et de leurs sources d’approvisionnement énergétique.</p>
<h2>Encourager la différenciation verte</h2>
<p>La transparence devenant une exigence réglementaire, la batterie ne sera plus une boîte noire du point de vue de son incidence environnementale. Les constructeurs automobiles devront rendre des comptes sur le processus de sélection de leurs fournisseurs de modules et cellules de batteries, avec des conséquences en cascade sur tous les segments de la chaîne de valeur.</p>
<p>Ce n’est pas une injonction à localiser l’ensemble des étapes de production en Europe car, relativement aux autres facteurs, le transport longue distance aurait une empreinte carbone négligeable. Néanmoins, la réglementation peut jouer à l’avantage des porteurs de projets européens étant donnée leur longueur d’avance dans la mesure et la maîtrise des implications environnementales de leurs activités.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1075569925786402816"}"></div></p>
<p>Les leaders asiatiques sont davantage dans la réaction face aux demandes grandissantes des constructeurs automobiles européens, mais ils étoffent aussi progressivement leur expertise sur la pensée cycle de vie.</p>
<p>Enfin, la quête d’une batterie plus « verte » est un argument supplémentaire pour les partenariats et autres stratégies d’intégration verticale, car elle exige une approche globale et cohérente des différents segments de la chaîne de valeur.</p>
<p>L’influence sur les dynamiques industrielles est potentiellement considérable et les Européens peuvent tirer leur épingle du jeu.</p>
<h2>Comptabiliser l’empreinte carbone des batteries</h2>
<p>Le bénéfice théorique est clair, mais la mise en œuvre de ce règlement fait face à de sérieux obstacles. En effet, il n’y a pas à ce jour de méthodologie de calcul suffisamment détaillée et consensuelle pour soutenir des exercices de comparaison de l’empreinte carbone des batteries vendues sur le marché européen. Celle-ci devra être définie ultérieurement dans un acte d’exécution du règlement annoncé pour juillet 2023.</p>
<p>Elle devra notamment préciser pour quelles étapes de leur fabrication il convient de mobiliser des données primaires, c’est-à-dire réellement mesurées, et quelles bases de données secondaires doivent être utilisées en complément.</p>
<figure>
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<figcaption><span class="caption">La voiture électrique est-elle vraiment plus écologique ? (<em>Le Monde</em>, le 10 décembre 2018).</span></figcaption>
</figure>
<p>Autre sujet de controverse : la comptabilisation des émissions attribuables aux approvisionnements électriques. Lorsqu’ils s’implantent dans un pays dont le mix électrique est carboné, les industriels souscrivent dorénavant à des contrats d’approvisionnement en électricité d’origine renouvelable mais les arrangements existants ne garantissent pas toujours l’additionalité de la production renouvelable dans une zone de marché donnée.</p>
<p>Cela pose une question de cohérence avec l’objectif global de décarbonation et risque aussi d’ouvrir la voie à des manipulations comptables visant spécifiquement les exportations vers l’Europe.</p>
<h2>Limiter l’usage des ressources minérales</h2>
<p>L’utilisation efficace des ressources minérales est l’autre impératif environnemental associé au développement des batteries mais il n’y a pas à ce jour d’indicateur suffisamment mature pour faire l’objet d’une traduction réglementaire, en complément de l’empreinte carbone.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1339672650881396736"}"></div></p>
<p>Cela doit être un <a href="https://theconversation.com/sobriete-a-quand-un-yuka-pour-comparer-les-materiaux-dans-nos-produits-151775">objectif de moyen-terme</a> et d’ici là, la réglementation doit exiger la transparence sur les deux principaux leviers d’une utilisation efficace des ressources, à savoir le taux d’incorporation de matériaux recyclés et la durée de vie des batteries.</p>
<h2>Contrôler efficacement le respect des normes</h2>
<p>Enfin, la clarté des règles de calcul devra aller de pair avec des moyens crédibles pour vérifier la fiabilité des déclarations. Le <em>dieselgate</em> a donné une illustration saisissante de la faiblesse structurelle de l’Europe en matière de suivi de l’application de ses normes. Le défi sera d’une tout autre ampleur lorsqu’il s’agira d’enquête sur les conditions de fabrication des produits, en Europe et hors d’Europe.</p>
<p>Le risque de fraude réduirait considérablement la portée du règlement, sans parler des dommages sur la confiance des consommateurs. Les solutions numériques de traçabilité sont une partie de la réponse, mais la vérification des déclarations restera de la responsabilité ultime des autorités nationales, qui doivent disposer de moyens suffisants pour conduire leurs missions.</p>
<h2>Fixer un calendrier ambitieux</h2>
<p>Ces défis ne doivent pas être un obstacle à l’adoption d’un calendrier ambitieux, au moins pour les obligations de transparence qui pourront aiguiller le choix des consommateurs et sur lesquelles pourra s’appuyer la commande publique de véhicules et en particulier de bus électriques.</p>
<p>Le meilleur gage de fiabilité des règles de mise en œuvre est d’associer étroitement l’industrie au processus de rédaction, or cette dernière doit voir l’urgence de mettre à disposition son expertise.</p>
<p>En ciblant un horizon proche, le législateur européen pourrait aussi convaincre les constructeurs automobiles d’anticiper l’adoption finale du règlement, en donnant dès maintenant une importance plus forte à la dimension environnementale dans la sélection de leurs fournisseurs.</p>
<p>Tous revoient à la hausse leurs plans de déploiement du VE pour faire face au boom de demande, il y a donc une fenêtre d’opportunité à ne pas manquer. L’importance du signal est déterminante car une offre de batteries vertes ne peut émerger du jour au lendemain : il faut au moins trois ans pour déployer une usine de fabrication de cellules à grande échelle, et souvent au moins 5 ans pour développer de nouvelles activités minières.</p>
<h2>Miser sur la mobilisation</h2>
<p>Espérons donc qu’émerge une forte mobilisation politique et citoyenne autour du règlement sur les batteries.</p>
<p>Ce texte fait d’ailleurs écho au chapitre 1<sup>er</sup> <a href="https://www.assemblee-nationale.fr/dyn/15/textes/l15b3875_projet-loi">(Informer, former, sensibiliser)</a> du projet de loi climat et résilience et devrait être une priorité de la présidence française de l’UE qui débute en janvier 2022.</p>
<p>Il en va de l’avenir de l’industrie européenne du véhicule électrique et c’est aussi l’occasion de démontrer la pertinence d’une politique industrielle verte, aisément réplicable ensuite pour d’autres produits et secteurs stratégiques.</p>
<hr>
<p><em>L’auteure vient de publier <a href="https://www.ifri.org/en/publications/etudes-de-lifri/green-batteries-competitive-advantage-europes-electric-vehicle-value">« Green Batteries : a Competitive Advantage for Europe’s Electric Vehicle Value Chain ? »</a>, Études de l’Ifri (avril 2021)</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/161385/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Carole Mathieu est chercheure au Centre énergie et climat de l'Institut français des relations internationales (Ifri). </span></em></p>
Dans la course à l’électromobilité, l’Europe a tout intérêt à miser sur la fabrication de batteries vertes et locales.
Carole Mathieu, Chercheure en géopolitique de l'énergie, Sciences Po
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/157436
2021-06-08T17:30:49Z
2021-06-08T17:30:49Z
Le graphène ou la révolution programmée de l’électronique : c’est pour bientôt ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/403572/original/file-20210531-13-1q1jkfn.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=21%2C21%2C4723%2C3137&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Flexible, résistant, aux propriétés électriques et électroniques inhabituelles, le graphène a de nombreux atouts en laboratoire, mais les applications peinent à voir le jour. Ici, le Museo Soumaya à Mexico.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/zMs57lrKgUA">David Villasana, Unsplash </a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p>« Matériau du XXI<sup>e</sup> siècle », « matériau révolutionnaire », voici comment le graphène est caractérisé depuis sa découverte en 2004 par Konstantin Novoselov et Andre Geim. Les travaux sur le graphène de ces deux scientifiques leur ont valu le <a href="https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/summary/">prix Nobel de physique en 2010</a>, mais qu’en est-il réellement, 17 ans après cette découverte ?</p>
<p>Le graphène est mondialement connu pour ses propriétés remarquables, que ce soit mécanique, thermique et électrique. Sa parfaite structure en nid d’abeille composée d’atomes de carbone est la raison pour laquelle le graphène est un matériau performant dans de nombreux domaines. Sa morphologie, sous forme de feuillet épais de l’ordre d’un atome, lui permet d’intégrer la famille des matériaux 2D. Les industriels ont, depuis sa découverte, accentué la recherche autour du matériau. Des applications variées ont pu voir le jour, notamment en exploitant les performances électriques du graphène. Plusieurs secteurs sont visés, comme l’aéronautique, l’automobile et la télécommunication.</p>
<h2>Y a-t-il du graphène dans l’avion ?</h2>
<p>Le graphène est exploité pour son statut de champion de la conductivité électrique, mais également pour sa faible densité et sa flexibilité. Ces propriétés lui ont permis de rejoindre le <a href="https://graphene-flagship.eu/innovation/industrialisation/roadmap/composites-bulk-applications-and-coatings/">club très fermé</a> des matériaux utilisés dans le domaine de l’aéronautique.</p>
<p>Les éclairs et l’accumulation de glace sur la coque sont des problèmes fréquemment rencontrés lorsque les avions sont en haute altitude. L’impact de la foudre sur une surface non conductrice cause de graves dommages pouvant aller jusqu’à l’inflammation de l’appareil. L’ajout de graphène, de par sa haute conductivité électrique, permet de dissiper ce courant de haute énergie. Le design des avions est conçu de telle sorte à acheminer le courant le plus loin possible des zones à risques, réservoirs de carburant, câbles de commande et éviter ainsi la perte de contrôle de l’appareil, voire l’explosion.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/403571/original/file-20210531-15-x3uhcl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">L’histoire du graphène commence ici.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/GQ4VBpgPzik">Umberto/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Un revêtement composé d’une résine renforcée par du graphène, on parle alors de « nanocomposite », est utilisé en remplacement des revêtements métalliques. En effet, sa faible densité permet d’obtenir des matériaux plus légers que ceux d’origine, limitant la masse de l’appareil et donc la consommation de carburant. Les matériaux conducteurs électriques, nécessaires pour dissiper l’énergie de la foudre, présentent par contre l’inconvénient de réfléchir les ondes électromagnétiques empêchant l’utilisation de ce type de matériau pour des applications furtives dans le secteur militaire.</p>
<p>Pour remédier à ce défaut, différentes formes du graphène ont été élaborées permettant de conserver sa conductivité électrique tout en améliorant la furtivité. La « mousse de graphène » figure parmi ces nouvelles structurations. L’onde pénètre le matériau, un phénomène de réflexions de cette dernière dans toutes les directions de l’espace la piège et atténue progressivement ses traces. Il n’y a aucun retour possible de l’onde jusqu’au radar, l’appareil devient furtif, et on parle de « blindage électromagnétique ».</p>
<h2>Du graphène pour le stockage d’énergie</h2>
<p>Le graphène a également largement trouvé sa place dans le <a href="https://graphene-flagship.eu/innovation/industrialisation/roadmap/energy-generation-storage/">domaine du stockage d’énergie électrique</a>.</p>
<p>Le graphène est un candidat idéal en tant qu’électrode pour les batteries Li-ion et les supercondensateurs. D’une part car sa conductivité électrique est élevée, d’autre part car sa haute surface spécifique (correspondant à la surface disponible sur le graphène pour accueillir les ions et favoriser l’échange des électrons entre l’électrode en graphène et le lithium) permet d’obtenir une grande « capacité de stockage ». En effet, un grand nombre d’ions peuvent facilement s’insérer entre les feuillets de graphène, ce qui permet d’échanger plus d’électrons avec le collecteur de courant, augmentant la capacité de stockage d’électricité et donc l’autonomie de la batterie. La facilité des ions à s’insérer dans l’électrode de graphène et la conductivité électrique élevée de cette dernière (pour un transfert d’électrons rapide) permettent un cycle décharge/charge beaucoup moins long de la <a href="https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783338">batterie</a>. La haute conductivité du graphène permet de délivrer une grande quantité d’énergie en très peu de temps permettant ainsi d’augmenter la puissance des supercondensateurs. Le graphène est aussi un bon conducteur thermique, ce qui limite la montée en température des batteries en dissipant de la chaleur.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=398&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=398&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=398&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=500&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=500&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/403573/original/file-20210531-19-yn42ze.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=500&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Les batteries électriques sont de plus omniprésentes dans la vie moderne. Le graphène pourrait améliorer leurs performances.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/vXtFlg7hZnU">Markus Spiske/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>À l’échelle industrielle, il existe déjà une batterie externe élaborée par Real Graphene, affichant une recharge complète d’un téléphone portable en <a href="https://realgrapheneusa.com/">17 minutes</a>. Dans un tout autre domaine, Mercedes travaille sur un prototype de voiture avec une batterie composée d’électrodes en graphène, annoncée avec une <a href="https://www.mercedes-benz.com/en/vehicles/passenger-cars/mercedes-benz-concept-cars/vision-avtr/">autonomie de 700 kilomètres pour une recharge de 15 minutes</a> – à l’heure actuelle, ces valeurs semblent surprenantes à première vue, surtout pour des véhicules électriques nécessitant des batteries à capacité de stockage élevées.</p>
<h2>Trouver sa place en électronique</h2>
<p>Là où le graphène peine à se démarquer par rapport au semi-conducteur, c’est <a href="https://graphene-flagship.eu/innovation/industrialisation/roadmap/electronics-photonics/">dans le domaine de l’électronique</a>. Ses propriétés électroniques – dues à sa « structure de bande » – rendent le contrôle des électrons impossibles et le graphène se comporte alors comme un semi-métal. De ce fait, l’utilisation du graphène pour l’électronique binaire – numérique – reste compliquée, en particulier pour les transistors, plutôt constitués de semi-conducteurs. </p>
<p>Pour utiliser du graphène dans un transistor, il faut modifier sa structure de bande, ce qui a généralement pour conséquence de dégrader sa structure en nid d’abeille et ses autres propriétés électriques. Si l’on souhaite conserver cette structure 2D, il faut changer la nature chimique des atomes composant le matériau en utilisant par exemple le nitrure de bore ou les dichalcogénures de métaux de transition, qui font également partie de la <a href="https://lejournal.cnrs.fr/articles/les-nouveaux-materiaux-inspires-du-graphene">grande famille des matériaux 2D</a>.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/403574/original/file-20210531-16-mbz3hw.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Microscopie de l’interface entre du graphène et du nitrure de bore (h-BN).</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/oakridgelab/16155413329/in/photostream/">Oak Ridge Natinal Laboratory, Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Si l’on souhaite néanmoins utiliser du graphène, il faut viser des applications dans lesquelles des propriétés mécaniques (flexibilité) seront également recherchées comme pour les capteurs, les électrodes et certains transistors réservés à l’électronique analogique, comme les <a href="https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene-field-effect-transistor-gfet-construction-benefits-challenges/">transistors de graphène à effet de champ</a>. Les géants de la téléphonie travaillent également sur l’élaboration d’écrans de téléphone portable flexibles pour une meilleure ergonomie.</p>
<p>La <a href="https://inp.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/une-nouvelle-phase-topologique-pour-le-graphene">fabrication des prochains ordinateurs quantiques</a> pourrait bien faire appel aux matériaux appelés « isolants topologiques ». Ce sont des matériaux conducteurs électriques en surface, mais isolants au cœur. Les recherches s’accentuent actuellement sur la phase topologique du graphène avec une conduction électrique uniquement sur les bords.</p>
<p>La diversité des applications du graphène démontre tout le potentiel de ce matériau et permet d’envisager de nouveaux horizons dans des domaines différents tels que l’<a href="https://graphene-flagship.eu/graphene/news/graphene-spintronics-from-science-to-technology/">optoélectronique et la spintronique</a>.</p>
<p>Ce matériau a déjà pu faire ses preuves dans le milieu industriel sans pour autant le révolutionner à l’heure actuelle. Cependant, les recherches en cours permettent de découvrir chaque année de nouveaux champs d’applications possibles. En parallèle, des méthodes de synthèses se développent constamment pour réduire le prix du graphène au kilogramme et permettre l’obtention d’un matériau de meilleure qualité.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/157436/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Thibaut Lalire ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Les promesses technologiques du graphène suscitent des investissements importants en R&D. Énergie, aéronautique, électronique – quelles sont les applications déjà au rendez-vous ?
Thibaut Lalire, Doctorant sciences des matériaux, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/159846
2021-05-19T16:38:11Z
2021-05-19T16:38:11Z
Pourquoi les scientifiques cherchent-ils à s’affranchir du terme « métaux lourds » ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/401268/original/file-20210518-3808-1yugck1.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=85%2C23%2C5098%2C3856&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">De «&nbsp;métaux lourds&nbsp;» à «&nbsp;éléments potentiellement toxiques&nbsp;», des scientifiques militent pour des dénominations moins vagues et moins trompeuses.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/Ri0B7qh38z4">Dan-Cristian Pădureț, Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p>Des centaines de tonnes de plomb dans la flèche et le toit de Notre-Dame ont fondu lors de l’incendie du 15 avril 2019 selon <a href="https://www.nouvelobs.com/sante/20191013.AFP6518/plomb-de-notre-dame-quels-dangers-pour-la-sante.html">plusieurs agences</a> de <a href="https://www.reuters.com/article/france-notre-dame-pollution-idFRKCN1UO227-OFRTP">presse</a>. L’Agence Régionale de Santé Île-de-France a <a href="https://www.iledefrance.ars.sante.fr/incendie-notre-dame-toutes-les-donnees-0">rapporté</a> que les concentrations de plomb restaient élevées à certains endroits à l’intérieur du bâtiment et dans le sol du parc et du parvis adjacents, ceux-ci ont été fermés temporairement au public après l’incendie.</p>
<p>Le plomb fait partie des métaux dits « lourds » et l’empoisonnement au plomb existe bel et bien. Également connu sous le nom de saturnisme, il se produit le plus souvent par ingestion du métal, plus particulièrement par ingestion orale de poussière et d’éclats de peinture contenant du plomb. Ce type d’empoissonnement est bien connu et particulièrement dramatique pour les <a href="https://www.inserm.fr/information-en-sante/dossiers-information/saturnisme">petits enfants</a>, mais au-delà de l’ingestion par voie orale, les mesures de contamination au plomb <a href="https://theconversation.com/notre-dame-de-paris-des-mesures-de-contamination-au-plomb-difficiles-a-interpreter-122302">sont encore difficiles à interpréter</a>.</p>
<h2>Qu’est-ce qu’un « métal lourd » ?</h2>
<p>Dans les cours de sciences à l’école primaire, on demande souvent aux enfants : « Quel est le plus lourd : un kilo de plomb ou un kilo de plumes ? » La réponse apparemment naïve à l’énigme familière est le kilo de plomb. C’est une question classique pour leur enseigner des notions rudimentaires en science. La réponse normale est évidemment qu’ils sont tous les deux aussi lourds. Suivant la définition donnée à « lourd », la réponse peut se discuter, lequel a la plus grande masse ? Lequel a le plus grand poids ? Lequel est le plus difficile à soulever ?</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=365&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=365&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=365&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=459&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=459&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/399222/original/file-20210506-23-1o3mkpl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=459&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Tableau périodique des éléments chimiques le plus souvent considérés comme « métaux lourds » dans les articles scientifiques en science de l’environnement.</span>
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<p>Mais au-delà des discussions sur la masse et le poids, il n’est en fait pas facile de comprendre ce qu’est vraiment un « métal lourd ». De plus, les scientifiques remettent maintenant en question le nom de cette classe de matériaux.</p>
<h2>D’où vient le terme ?</h2>
<p>Les éléments chimiques sont bien caractérisés, et leur classification, dite « de Mendeleiv », a fêté ses 150 ans en 2019. Selon leurs propriétés et leurs structures électroniques, on les classe dans des séries. La série des « métaux lourds » a plutôt mauvaise presse.</p>
<p>Initialement, le terme « métaux lourds » était basé sur une catégorisation par densité (le rapport de la masse d’un objet à celle qu’aurait le même volume constitué d’eau) ou masse molaire (la masse d’une <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Mole_(unit%C3%A9)">mole</a> d’atomes). Cette définition originale des métaux lourds reste pertinente, bien que plusieurs éléments métalliques « lourds » aient une densité relativement faible. Par exemple, le zinc et le cuivre ont une densité et une masse molaire relativement faibles par rapport aux lanthanides et actinides, qui ont parmi les masses molaires les plus élevées des éléments du tableau périodique.</p>
<p>Mais liste des « métaux lourds » n’est en fait pas clairement définie. Le terme « métaux lourds » est souvent utilisé comme nom de groupe, mêlant souvent métaux et <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tallo%C3%AFde">métalloïdes</a>. Les métalloïdes, comme l’arsenic, sont des intermédiaires entre métaux et non-métaux. Métaux comme métalloïdes sont associés à une contamination et à une toxicité potentielle dans l’environnement.</p>
<p>En définitive, le terme « lourd » associé à la toxicité du métal induit – légitimement – une forme de peur dans la société. Mais c’est un usage abusif, mais répandu, comme le soulignent plusieurs scientifiques, notamment en <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.043">sciences de l’environnement</a> et <a href="https://www.mdpi.com/1660-4601/16/22/4446">santé publique</a>, du <a href="https://www.mdpi.com/2071-1050/10/8/2879/htm">développement durable</a>, ou de la <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11631-021-00468-0">géochimie</a></p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/401269/original/file-20210518-23-sxxnox.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Historiquement, le terme « lourd » a été fixé en référence à la densité et à la masse molaire des éléments chimiques.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/Ba8700bbZp4">Dan-Cristian Pădureț/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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<p>En 1980, <a href="https://doi.org/10.1016/0143-148X(80)90017-8">Nieboer et Richardson</a> avaient déjà proposé le remplacement de ce terme indéfinissable par une classification biologiquement et chimiquement significative. De plus, selon l’<a href="https://doi.org/10.1351/pac200274050793">Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC)</a>, le terme « métaux lourds » est considéré comme imprécis (au mieux), et comme dénué de sens et trompeur (au pire). L’utilisation de ce terme est fortement déconseillée par l’IUPAC, d’autant plus qu’il n’existe pas de définition standardisée de ce terme.</p>
<h2>Comment devrait-on appeler les métaux « lourds » ?</h2>
<p>Avec <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-019-06835-y">plusieurs collègues</a>, <a href="https://www.mdpi.com/1660-4601/16/22/4446">nous proposons</a> de remplacer le terme par « éléments potentiellement toxiques ». En effet, du fait de leur persistance dans l’environnement et de leur caractère permanent (seuls des changements dans leurs espèces chimiques peuvent se produire), la plupart d’entre eux sont malheureusement capables de polluer définitivement les eaux souterraines ou les sols.</p>
<p>Tous les « métaux lourds » et leurs composés peuvent avoir une toxicité relativement élevée. Par exemple, l’exposition humaine au plomb par l’ajout de <a href="https://www.societechimiquedefrance.fr/Tetraethylplomb.html">plomb tétraéthyl</a> à l’essence comme agent anti-détonnant, ou à la <a href="https://www.anses.fr/fr/content/avis-et-rapport-de-lafsse-relatif-%C3%A0-d%C3%A9tection-du-plomb-dans-les-peintures-anciennes-0">peinture au plomb</a>, sont bien documentée. En revanche, les batteries au plomb ne constituent pas une menace directe pour la santé humaine lors de l’utilisation – c’est leur élimination en fin de vie qui peut générer une <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.06.001">pollution environnementale</a> liée au plomb.</p>
<p>En science de l’environnement, la spéciation chimique des éléments, c’est-à-dire leur forme moléculaire, est souvent négligée. Par exemple, sous forme pure, sous forme de sels simples ou de composé organique comme le plomb tétraéthyl, le plomb est plus ou moins mobile. Le fait que la spéciation chimique soit rarement prise en compte est dû au fait qu’elle est relativement coûteuse (en temps et en ressources) et par nature difficile à mesurer directement.</p>
<h2>La toxicité dépend de l’environnement du métal à l’échelle moléculaire</h2>
<p>Les caractéristiques physiques, chimiques et biologiques d’une molécule dépendent de sa structure moléculaire et non seulement de ses constituants élémentaires. C’est donc aussi le cas de sa toxicité.</p>
<p>En effet, la toxicité de ces métaux ou métalloïdes, comme le plomb ou l’arsenic, dépend de leur spéciation et de leur concentration. Pour évaluer leur toxicité, il faut comprendre la « bioaccessibilité » et la « biodisponibilité » du plomb ou de l’arsenic dans une molécule spécifique, dans un milieu spécifique. La « bioaccessibilité » correspond à la fraction accessible d’une substance dans une matrice pouvant être libérée dans les sucs gastro-intestinaux (des hommes) et donc pouvant être absorbée dans le corps et provoquer d’éventuels effets. Seule la fraction « biodisponible » atteint réellement la circulation sanguine et les organes cibles au niveau desquels elle peut exercer son action toxique.</p>
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<span class="caption">La toxicité des éléments chimiques dépend de leur environnement.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/EdULlCRj-x0">Pawel Czerwinski/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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<p>Malgré cela, les éléments sont pour la plupart jugés toxiques en raison des preuves relatives à la toxicité de quelques-unes seulement des espèces chimiques dans lesquelles ils se trouvent.</p>
<p>Il est essentiel que les études environnementales prennent en compte les espèces présentes plutôt que le constituant élémentaire. Le fait de ne pas prendre correctement en compte la spéciation chimique des éléments peut conduire à une mauvaise évaluation des risques et à une mauvaise utilisation de la législation, comme pour le <a href="https://www.senat.fr/rap/l00-261/l00-261_mono.html">mercure</a> il y a quelques années. Les lois et règlements basés sur une simple analyse élémentaire peuvent considérer à tort les milieux ou produits environnementaux comme toxiques.</p>
<p>Les métaux ne sont pas toujours toxiques, et certains sont en fait essentiels : en fonction du dosage et des niveaux d’exposition et de l’organisme receveur ou de la population receveuse, ils peuvent être essentiels ou toxiques. Par exemple, le nickel est l’un des métaux les plus polyvalents que l’on trouve sur Terre. Connu pour son utilisation dans la pièce de cinq cents américaine, il est essentiel à la vie, pour son rôle essentiel à l’action de protéines enzymatiques. Sa carence s’accompagne de changements <a href="https://doi.org/10.1039/9781849739979-00381">histologiques et biochimiques</a>, et d’une réduction de la résorption du fer qui peut entraîner une anémie… mais le nickel joue aussi un rôle important dans le développement d’une infection pathogène (causée par la bactérie <a href="http://www.helicobacter.fr/informations-sur-helicobacter-pylori/">Helicobacter pylori</a>) et dans la production d’une enzyme dépendante au nickel, l’uréase, qui colonise l’estomac.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/159846/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Olivier Pourret ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Petit quiz : les métaux lourds sont-ils lourds ? Toxiques ? Ça dépend… mais de quoi ?
Olivier Pourret, Enseignant-chercheur en géochimie et responsable intégrité scientifique et science ouverte, UniLaSalle
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/159757
2021-05-06T18:23:45Z
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Santé : la confiance et le prix, freins à l’adoption des objets connectés chez les générations Y et Z
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/399151/original/file-20210506-13-8n20ax.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=65%2C0%2C911%2C667&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">La taille du marché de l’utilisation de l’IdO dans les soins de santé devrait passer de 55,5&nbsp;milliards de dollars en 2019 à 188&nbsp;milliards de dollars d’ici 2024.
</span> <span class="attribution"><span class="source">Shutterstock</span></span></figcaption></figure><p>L’Internet des objets (IdO) est un paradigme technologique disruptif moderne qui consiste à connecter des appareils et des personnes de manière intelligente à tout moment et en tout lieu. Par exemple, il peut s’agir de matériel médical (imagerie, machine à rayons X, etc.) ou de maison connectée.</p>
<p>Selon une <a href="https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/iiot-industrial-internet-of-things-technology-market-100383">étude</a>, le marché mondial de l’IdO était estimé à 190 milliards de dollars en 2018 et devrait atteindre 1 102,6 milliards de dollars d’ici 2026. Le développement de l’IdO devrait générer une valeur économique élevée, améliorer l’efficacité des processus de fonctionnement des entreprises et profiter à la vie personnelle et professionnelle de ses utilisateurs finaux.</p>
<p>Nous avons constaté que ce nouveau modèle d’interaction entre l’homme et la technologie fait l’objet de peu de recherches, notamment en ce qui concerne les soins de santé en ligne alors que ces derniers sont considérés comme un secteur vedette pour l’adoption de l’IdO ! La taille du marché de l’utilisation de l’IdO dans les soins de santé devrait passer de 55,5 milliards de dollars en 2019 à 188 milliards de dollars d’ici 2024.</p>
<p>Dans notre dernier <a href="https://www.researchgate.net/publication/345907428_Understanding_acceptance_of_eHealthcare_by_IoT_natives_and_IoT_immigrants_An_integrated_model_of_UTAUT_perceived_risk_and_financial_cost">article de recherche</a>, nous nous concentrons sur l’étude de l’adoption de l’IdO dans les soins de santé en ligne du point de vue du client. Nous avons démontré que les principaux obstacles à l’adoption de l’IdO dans les soins de santé en ligne sont le coût financier perçu et la confiance.</p>
<h2>Des différences d’usage selon l’âge</h2>
<p>En outre, l’adoption de l’IdO dans divers groupes d’âge s’est avérée différente. Nous avons identifié deux groupes distincts de consommateurs et les avons nommés « natifs de l’IdO » (personnes de moins de 40 ans) et « immigrants de l’IdO » (personnes de plus de 40 ans).</p>
<p>La population cible est essentiellement constituée d’hommes et de femmes français âgés de seize à soixante-cinq ans. Le questionnaire a reçu 268 réponses, dont 60 ont indiqué qu’elles n’utilisaient pas de dispositifs basés sur l’IdO (portables, dispositifs médicaux, etc.) et ont donc été retirées de l’échantillon. L’échantillon est représenté par plus de 50 % de jeunes entre seize et vingt ans et 23 % entre vingt et trente ans.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/397530/original/file-20210428-19-1i5990n.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Les natifs de l’IdO possèdent pour la majorité au moins un objet connecté, le smartphone.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/image-photo/beautiful-young-people-different-nationalities-using-428460970">Shutterstock</a></span>
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<p>Les résultats montrent que les deux groupes diffèrent significativement dans les contributions de l’influence sociale et des conditions facilitantes à leurs intentions comportementales. Ces contributions sont prédominantes pour les immigrants de l’IdO et non pour les natifs de l’IdO.</p>
<p>Cela signifie que les immigrants de l’IdO se concentrent essentiellement sur l’effort perçu et l’utilité perçue pour définir leurs intentions d’usage alors que, pour les natifs de l’IdO, l’influence sociale et les conditions facilitatrices jouent un rôle aussi important que les facteurs précédents dans leur prise de décision. Ce résultat révèle que les natifs de l’IdO ont tendance à se comporter de manière opposée à ce que leur environnement social recommande.</p>
<p>Conformément aux résultats empiriques, plusieurs implications pratiques peuvent être proposées. C’est pourquoi les responsables du marketing et des politiques doivent mieux comprendre les freins et les facteurs qui favorisent l’adoption de l’IdO dans le secteur médical. À ce dessein, cet article apporte des clarifications pertinentes soutenues par des résultats de terrain.</p>
<h2>Des appareils adaptés à chaque groupe</h2>
<p>L’usage des appareils connectés dans un contexte médical doit tenir compte des différences individuelles et des profils des consommateurs : de ceux considérés comme des natifs de l’IdO et/ou d’immigrants de l’IdO. Compte tenu de ces deux profils d’adoptants de l’IdO de santé, les designers et les praticiens doivent adapter leurs dispositifs médicaux.</p>
<p>Pour les natifs de l’IdO, les designers doivent proposer des appareils connectés attractifs notamment pour leurs prix. Ils doivent également garantir les performances des appareils connectés et réduire l’effort requis à leur utilisation. En ce qui concerne les immigrants de l’IdO, la promotion via des prescripteurs et des experts (médecins, infirmiers, pharmaciens, etc.) parait être la stratégie la plus appropriée pour la diffusion de l’IdO de santé auprès de ces usagers.</p>
<p>Comme ces consommateurs ne sont pas familiers avec les appareils connectés, leur acceptation sera influencée par leurs amis, les membres de leur famille, etc. Outre cela, ils ont besoin d’informations supplémentaires sur la manière de manipuler ces appareils. Une stratégie de customer-education_ sera la plus bénéfique à ce stade.</p>
<p>Par ailleurs, certains facteurs peuvent freiner l’adoption de ces technologies disruptives auprès des immigrants de l’IdO pour la santé. Ceux-ci sont sensibles au risque perçu pour la santé. Ils craignent que ces dispositifs ne soient pas en mesure de respecter leur vie privée et leurs informations personnelles.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1062527252381028352"}"></div></p>
<p>Cependant, leur décision d’adopter ces technologies n’est pas conditionnée par le coût financier. Les immigrants de l’IdO sont prêts à payer cher pour utiliser des objets connectés du moment qu’ils les considèrent comme sûrs et sécurisés.</p>
<p>L’adoption de l’Internet des objets pour la santé par la génération Z et les générations X et Y introduira potentiellement un changement social significatif. Alors que la majorité des gens commencent à utiliser des appareils connectés pour suivre leur état de santé, l’administration publique dans le secteur médical peut gagner en efficacité en fournissant des services de soins adaptés aux citoyens qui utilisent déjà l’IdO pour le monitoring (suivi) de leur état de santé.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/159757/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
Une étude dégage deux groupes de consommateurs, les « natifs de l’IdO » et les « immigrants de l’IdO », pour lesquels les gestionnaires et les praticiens doivent adapter leurs dispositifs médicaux.
Tatiana Khvatova, innovation management, EM Lyon Business School
Imed Ben Nasr, Enseignant-Chercheur en Marketing, Excelia
Wissal Ben Arfi, Associate Professor in Strategy and Innovation, EDC Paris Business School
Younes Ben Zaied, Associate Professor in Finance, EDC Paris Business School
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/156327
2021-03-17T19:22:04Z
2021-03-17T19:22:04Z
L’impression 3D, au-delà du plastique
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/389570/original/file-20210315-13-isuc12.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=6%2C154%2C896%2C583&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">On peut même imprimer du sucre en 3D. Ici, une confection de la Patisserie Numérique.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.lapatisserienumerique.com/fr/home-fr/">La Patisserie Numérique</a>, <span class="license">Author provided</span></span></figcaption></figure><p>Aujourd’hui, vous pouvez télécharger des plans pour fabriquer le porte-téléphone de votre vélo avec une imprimante 3D – dans le fab lab de votre ville ou, si vous êtes passionné, chez vous. Dans les premiers mois de la crise du Covid-19, les imprimantes 3D ont été mises à contribution pour fabriquer des visières nécessaires aux soignants et pour <a href="https://theconversation.com/les-fab-labs-apportent-des-solutions-concretes-et-locales-a-la-crise-du-covid-19-136277">prototyper des respirateurs</a>.</p>
<p>La fabrication additive ou « impression 3D » est désormais <a href="https://www.3dnatives.com/en/what-were-the-3d-printing-trends-of-2020/">bien établie dans le paysage industriel</a>. Cette technique, apparue dans les années 2000, consiste à ajouter de la matière et s’oppose à l’usinage industriel, qui procède par moulage pour les plastiques et qui retranche de la matière dans le cas du métal ou du bois. Les premiers usages ont été le prototypage rapide à base de plastique fondu déposé couche après couche pour constituer un objet en volume. Aujourd’hui, les révolutions de la fabrication additive ne résident plus seulement dans sa facilité et la rapidité du prototypage, mais plutôt dans l’utilisation de nouveaux matériaux.</p>
<p>Les fab labs sont considérés depuis longtemps <a href="https://theconversation.com/fab-lab-do-it-yourself-hackers-et-autres-open-source-76881">comme de nouveaux lieux de démocratie</a> où s’approprier les technologies et la fabrication d’objets adaptés à leur utilisateur. De plus, le monde de la logistique permet aujourd’hui aux particuliers de commander des matières premières variées, et d’expérimenter de nouveaux matériaux à imprimer, s’éloignant du « simple » prototypage plastique pour fabriquer des objets les plus sophistiqués avec des matériaux de plus en plus innovants.</p>
<h2>Les matériaux intelligents</h2>
<p>Au <a href="https://dvic.devinci.fr/">De Vinci Innovation Center</a>, nous explorons deux grands axes autour de la fabrication additive inspirée du vivant : les matériaux intelligents et les matériaux organiques.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/389571/original/file-20210315-15-11lpmhd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Des objets imprimés en plastique, en résine, mais aussi, ici, en silicone dopé avec une poudre métallique pour réaliser un capteur souple intelligent.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Clément Duhart</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/">CC BY-NC-SA</a></span>
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<p>La pensée ingénieure a tendance à séparer un système en sous-ensembles, d’un côté l’électronique et d’un autre le corps mécanique. Cette répartition des tâches est présente à toutes les étapes de conception d’un produit du <em>design</em> jusqu’à l’industrialisation. Ceci contraste avec l’approche de la nature, très « intégrée » dirait-on dans un jargon d’ingénieur, puisque ses systèmes décisionnels, ses capteurs sensoriels et ses actionneurs musculaires font partie d’un tout. Ce type de conception offre de nombreux avantages en termes de robustesse, d’esthétisme ou encore d’intégration.</p>
<p>Le champ d’exploration des matériaux intelligents consiste à créer des matières dans lesquelles l’ensemble des éléments sont directement intégrés. Grâce à la fabrication additive, un objet peut être conçu avec différents matériaux aux propriétés mécaniques variées, tout en intégrant en leur sein des circuits électroniques faits d’encre conductive par exemple. Il est également possible d’envisager de nouveaux types d’énergie pour la motorisation tels que la pression pneumatique ou hydraulique en dessinant des structures de canaux plus ou moins complexes à l’intérieur de la matière lors de l’impression. </p>
<p>Par exemple, nous avons expérimenté la conception de muscles pneumatiques que nous pouvons combiner avec de l’encre conductive pour dessiner des capteurs d’étirement inspirés de travaux en <a href="https://ieeexplore.ieee.org/ielx7/7361/8169217/08080224.pdf"><em>soft robotics</em></a>. Il devient alors impossible de dissocier l’actuateur du capteur, qui sont devenus une seule matière.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/hrwBOjJ8aKU?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">La peau synthétique développée au De Vinci Innovation Center.</span></figcaption>
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<p>Par exemple, nous avons créé une <a href="https://dvic.devinci.fr/resource/projects/ssi/">peau synthétique</a> multicouche intégrant le derme, l’épiderme, des veines et une texture capable de sentir le toucher. Pour poursuivre ces travaux, nous avons mis en place une chaire de recherche avec la <a href="http://www.lynxter.fr">start-up Lynxter</a> pour explorer l’ensemble des opportunités des matériaux dits « intelligents » sur la fabrication additive. L’espoir est de voir peut-être un jour naître une imprimante 3D biologique, capable d’imprimer des organes ou structures vivantes autonomes tel que fantasmé dans le film « Le Cinquième élément ».</p>
<h2>Imprimer des matériaux issus du monde du vivant</h2>
<p>Ces dernières décennies, l’évolution industrielle et économique a été influencée par la matière bon marché et poussée vers l’énergie accessible principalement extraite du pétrole. Leur abondance nous a empêchés de penser la matière autrement que par la sidérurgie et le plastique.</p>
<p>Nous commençons maintenant à repenser notre rapport aux objets manufacturés et aux outils technologiques, notamment à travers les mouvements dits <a href="https://www.youtube.com/watch?v=SfGORMt0nGQ">« low tech »</a>. La conception de nouveaux produits est influencée par de nouveaux matériaux et mécanismes empruntés au monde vivant et inspirés par la biodiversité de notre planète.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/biomimetisme-sinspirer-de-la-nature-pour-rendre-linnovation-plus-soutenable-86164">Biomimétisme : s’inspirer de la nature pour rendre l’innovation plus soutenable</a>
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<p>Par exemple, la soie à haute densité est un matériau très résistant et flexible, à faible coût de production et potentiellement local, et est biodégradable par exposition aux ultra-violets. On pourrait ainsi envisager de fabriquer un dossier de chaise personnalisé à notre dos par fabrication additive en soie et à faible impact écologique en termes de production de matière première et <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_grise">d’énergie grise</a>, en lieu et place d’une chaise fortement carbonée en plastique.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=351&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=351&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=351&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=441&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=441&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/389073/original/file-20210311-15-1b059ez.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=441&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Deux étudiants développent un matériau micro-poreux inspiré du lichen, pour l’utiliser dans des vêtements.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Clément Duhart</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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<p>Une partie du groupe « Resilient Futures » dirigé par Marc Teyssier s’intéresse à la culture de cellules vivantes pour la production et le conditionnement de matière organique pour la fabrication additive, en collaboration avec la start-up française <a href="http://masp.tech">MASP</a>. Un des objectifs à court terme est de conditionner à grande échelle de la soie, mais d’autres matières organiques sont également à l’étude. Le marc de café, une fois traité, peut être imprimé et stabilisé pour créer des couches semblables à du cuir animal – une activité inspirée <a href="http://fabtextiles.org/coffee-leather-bag/">du fab lab de Barcelone</a>. Dans le cadre de la confection alimentaire, nous explorons comment la cuisine moléculaire et la fusion permettent d’imprimer des aliments en trois dimensions.</p>
<h2>L’impression 3D guidera-t-elle la révolution écologique dans l’industrie et la logistique ?</h2>
<p>La fabrication additive plastique et résine a souvent été associée à une <a href="https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/impression-3d-ecologique-53391/">technologie à forte empreinte carbone</a> en raison de la matière première employée. De nombreux projets et entreprises tentent de recycler cette matière première en nouveau filament d’impression, mais pour l’heure ces tentatives restent limitées. D’une part, la qualité de la matière recyclée n’est pas toujours satisfaisante pour des produits finis et d’autre part les processus de retraitement ont eux-mêmes un impact sur la planète même si des <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652614001504">activités de recherche tendent à améliorer ce statu quo</a>. Aujourd’hui, les déchets issus de la fabrication additive plastique ou résine peuvent suivre la chaîne traditionnelle de valorisation et être employés dans d’autres secteurs industriels moins exigeants en termes de propriétés chimiques et mécaniques, par exemple pour des <a href="https://www.actu-environnement.com/blogs/gregory-giavarina/133/Gregory-Giavarina-batiment-plastiques-recycles-utilisation-212.html">matériaux de construction</a>.</p>
<p>Enfin, la culture de matériaux issus du vivant nous permet de penser au-delà du tout pétrole, et de tenter de voir les nouvelles technologies comme une opportunité de changement. Si la fabrication additive est déjà un formidable outil de prototypage, elle devient maintenant un outil de fabrication tous matériaux – potentiellement plus « verts », et de fabrication personnalisée – donc adaptée aux usages, voire réduisant le transport de marchandises, comme l’a souligné Neil Gershenfeld, <a href="https://fab.cba.mit.edu/">l’inventeur des fab labs</a>. Les produits finis n’auraient alors plus besoin de parcourir plusieurs fois le tour de la terre en cumulant les distances parcourues par les différentes pièces qui le composent. Le développement d’espace de fabrication digital dans nos quartiers nous permettrait d’acheter les plans de fabrication de certains objets sur Internet et de les fabriquer localement.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/156327/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Clément Duhart ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Métal, argile, verre, matériaux intelligents ou matière organique, l’impression 3D poursuit sa révolution.
Clément Duhart, Enseignant systèmes embarqués, docteur en informatique, Pôle Léonard de Vinci
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/157250
2021-03-17T19:17:36Z
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Semi-conducteurs : une pénurie appelée à durer
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/389798/original/file-20210316-18-wjkb2u.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C8208%2C4703&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">En 2020, l’industrie mondiale des semi-conducteurs représentait 439&nbsp;milliards de dollars, contre 314&nbsp;milliards il y a 10&nbsp;ans.
</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/image-photo/mobile-phone-repair-hands-closeup-on-1284757168">Shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>Depuis la fin 2020, le monde de l’industrie s’inquiète d’une pénurie de semi-conducteurs, ces circuits intégrés micro et nanoélectroniques qui permettent de traiter l’information, la sauvegarder ou la transférer.</p>
<p>Présents dans nos téléphones, nos ordinateurs mais aussi nos réfrigérateurs ou nos voitures, ces composants, mal connus car microscopiques et dont la production est complexe, pourraient même venir à <a href="https://www.lesechos.fr/tech-medias/hightech/pourquoi-la-penurie-de-puces-electroniques-va-durer-1295790">manquer durablement</a>. Comment l’expliquer ?</p>
<p>La première raison tient à une forte augmentation de la demande en matériel informatique depuis 20 ans et qui s’est accélérée depuis le début de la crise de la Covid-19. L’industrie mondiale des semi-conducteurs, qui rassemble l’ensemble des firmes engagées dans la conception ou la fabrication des circuits intégrés, <a href="https://www.wsts.org/">représentait en 2020</a> 439 milliards de dollars contre 314 milliards de dollars en 2010.</p>
<p>Cette tendance reflète l’élargissement du marché grâce à l’exploration de nouveaux domaines d’application dans des secteurs clés de la société contemporaine comme le médical ou l’environnement. Cette diversité des usages et des débouchés a été stimulée par la miniaturisation des composants qui augmente la performance de ce produit intermédiaire, tout en en diminuant les coûts de production et en conséquence le <a href="https://www.aeaweb.org/articles?id=10.1257/aer.91.1.1">prix à la vente</a>.</p>
<h2>Un marché instable</h2>
<p>La deuxième explication de la pénurie est liée à la complexité du marché qui freine l’adaptation de l’offre à la demande. L’industrie microélectronique reste en effet <a href="http://bibliotheques.cg971.fr/bdp/faces/details.xhtml?id=p%3A%3Ausmarcdef_0000086925&">structurellement fragile</a> en raison du produit en lui-même et des évolutions instables des ventes.</p>
<p>D’abord, comme nous l’avions montré dans un <a href="http://www.theses.fr/2012CAEN0689">travail de recherche</a> sur le sujet en 2012, les semi-conducteurs sont des produits de haute technologie à durée de vie courte car l’innovation tient une place centrale dans cette industrie. La recherche et développement représente depuis les années 2000 entre <a href="https://vipress.net/vers-un-montant-record-de-714-milliards-de-dollars-en-rd-pour-les-semiconducteurs-en-2021/">12 et 18 % du chiffre d’affaires</a> des entreprises.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=399&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=399&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=399&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/389854/original/file-20210316-23-f1q8bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Intel domine l’investissement en R&D dans l’industrie des semi-producteurs, avec une part d’environ 19 % du total de ce secteur en 2020. (Source : Vipress)</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/image-photo/bangkok-thailand-march-05-2015-early-257898545">Shutterstock</a></span>
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<p>Ensuite, le marché est cyclique et très sensible aux évolutions macroéconomiques. En effet, on assiste, lorsque l’économie va bien, à une augmentation de la demande et donc une hausse des prix. Cela pousse les entreprises à investir à long terme pour accroître les capacités de production. S’en suit une période durant laquelle les capacités de production finissent par effectivement être plus importantes permettant une baisse des prix et donc une baisse des investissements. Ces phases alternent depuis maintenant de <a href="http://www.theses.fr/2012CAEN0689">nombreuses années</a>.</p>
<p>Aujourd’hui, la situation se complexifie encore car le choc – lié à la pandémie et au confinement associé – est particulièrement violent : les capacités de production ne peuvent s’adapter à moyen/court terme à une demande de produits électroniques qui a explosé. Par conséquent, les industries utilisatrices de semi-conducteurs, l’informatique bien sûr, mais aussi l’automobile, sont elles-mêmes bloquées dans leur production. Et le consommateur risque de devoir faire face à une hausse des prix de leurs produits.</p>
<h2>Dépendance à l’Asie</h2>
<p>Dans un secteur aussi central et stratégique, la concurrence est intense à l’échelle des États. En effet, l’industrie électronique a toujours intéressé les pouvoirs publics qui ont souvent choisi d’intervenir sur le marché par l’intermédiaire d’aides à la recherche ou d’entreprises nationales. Des <a href="http://www.senat.fr/notice-rapport/2007/r07-417-notice.html">investissements étatiques</a> ont aussi favorisé le développement de l’électronique grand public au Japon dans les années 1980, par exemple.</p>
<p>Aujourd’hui, la production de semi-conducteurs reste très mal répartie dans le monde et clairement l’Europe est en situation de faiblesse sur ce point. Ainsi, fin 2019, la capacité de production mondiale équivalait à 19,4 millions de wafers (tranches de matériau semi-conducteur utilisées pour fabriquer des composants) et la production européenne n’était déjà, à ce moment, que de 1,1 million de wafers.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/zAbXE6WgGBw?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">« Le marché mondial des semi-conducteurs », Mounia Van de Casteele (Xerfi Canal, 2019).</span></figcaption>
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<p>En guise de comparaison, le Japon produisait à l’époque 3,2 millions de wafers, les États-Unis 2,4 et la Chine 2,6. Cette dernière a continué d’investir pour accroître ses capacités ces dernières années et diminuer son retard vis-à-vis de ses puissants voisins, Taïwan et la Corée du Sud. Ils dominaient le marché et se répartissaient à peu près équitablement 8,4 millions de wafers. À ce constat sur les quantités produites s’ajoute le fait que la production européenne ne concerne pas les technologies les plus avancées, <a href="https://vipress.net/les-capacites-de-production-de-semiconducteurs-vont-fortement-augmenter-en-2020-et-2021/">majoritairement produites</a> en Corée du Sud.</p>
<p>Si l’Europe veut limiter sa dépendance à l’extérieur et accroître ses capacités de production, un important travail va donc devoir être réalisé pour augmenter les investissements dans le secteur et rattraper une partie du retard cumulé. Cependant, ce rattrapage ne sera pas suffisant, car l’Europe devra aussi accéder aux matériaux de base permettant la production de semi-conducteurs, en l’occurrence les terres rares.</p>
<h2>Un avantage stratégique pour la Chine</h2>
<p>Les terres rares forment une famille de dix-sept éléments chimiques aux propriétés électromagnétiques et électrochimiques proches et exceptionnelles. Certaines interviennent de façon cruciale dans la production de certains semi-conducteurs, et d’autres dans la production de nombreux autres composants nécessaires aux nouvelles technologies.</p>
<p>Comme la plupart des ressources stratégiques – minérales ou biologiques –, les terres rares ne sont pas réparties de façon homogène à la surface du globe et/ou ne sont également pas exploitables partout où il s’en trouve (conditionnalités environnementales, technologiques et économiques). Or, aujourd’hui, plus de 80 % des terres rares produites dans le monde le sont en Chine. En 2006 et 2010, ce ratio était monté à… 98 % !</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1189017133277155333"}"></div></p>
<p>La Chine a mis 20 ans à <a href="https://theconversation.com/comment-la-chine-a-pris-le-controle-du-marche-des-terres-rares-69967">construire, délibérément, cet avantage stratégique</a>. Le dirigeant Deng Xiaoping n’avait-il pas d’ailleurs prophétisé, au début des années 1990 : « il y a le pétrole en Arabie saoudite, il y a les terres rares en Chine » ?</p>
<p>Près de 20 ans plus tard, son vœu de tirer un avantage stratégique de cette ressource géologique est exaucé : personne ne peut, à court ou moyen terme, desserrer significativement cette mainmise sur des substances dont, dans une majorité de domaines de haute technologie, on sait ne pas pouvoir se passer. Or, nous avons montré dans un <a href="https://fr.calameo.com/read/0050108445ead183b4c77">travail de recherche</a> en 2016 sur la géoéconomie des terres rares que la Chine s’en sert comme une arme dans ses confrontations géopolitiques et géoéconomiques avec les Occidentaux et les Japonais.</p>
<p>La pénurie de semi-conducteurs souligne à quel point les tensions géopolitiques peuvent s’immiscer dans notre quotidien : la clé pour sortir de cette pénurie ne saurait être seulement technologique ou logistique mais dépend grandement de l’évolution dans les mois venir des relations entre les principales puissances géoéconomiques impliquées, notamment les Occidentaux et la Chine.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/157250/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
La complexité du produit et du marché des circuits intégrés freine l’adaptation de l’offre à une demande qui a explosé ces dernières années.
Mathilde Aubry, Enseignant Chercheur, EM Normandie
Ludovic Jeanne, Géographe, Laboratoire Métis, EM Normandie
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/153264
2021-02-03T20:25:59Z
2021-02-03T20:25:59Z
Moiré de graphène : quand les effets d’optique arrivent dans le monde quantique
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/381786/original/file-20210201-23-dcjf4n.png?ixlib=rb-1.1.0&rect=30%2C214%2C2926%2C1646&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Les moirés sont des effets d’optique obtenus quand des motifs répétitifs sont superposés.</span> <span class="attribution"><span class="source">F. Mesple V. Renard/UGA</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/">CC BY-NC</a></span></figcaption></figure><p>La communauté des chercheurs en physique de la matière condensée est en ébullition. Au printemps 2018, une équipe du MIT aux USA a apporté la preuve que deux couches de graphène empilées l’une sur l’autre peuvent devenir supraconductrices lorsqu’elles sont tournées l’une par rapport à l’autre d’un angle dit « magique ». Dans cette configuration un peu spéciale, les électrons s’apparient pour conduire l’électricité sans aucune résistance.</p>
<p>La nouveauté : ce phénomène émerge, car la superposition des réseaux atomiques engendre un <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Moir%C3%A9_(physique)">« moiré »</a>, comme lorsque deux étoffes sont superposées. Bientôt deux ans depuis cette découverte ; essayons de comprendre plus en détail ce qui excite les chercheurs.</p>
<h2>Le graphène, un cristal à part</h2>
<p>Quel est le point commun entre le diamant et le graphite ? Chacun de ces <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Cristal">cristaux</a> est composé uniquement d’atomes de carbone. Comment se fait-il alors que le diamant soit transparent et ne conduise pas l’électricité alors que le graphite est noir et très bon conducteur ? Pour le comprendre, il faut s’intéresser à l’organisation microscopique des atomes. Dans le diamant, chaque atome de carbone mobilise ses 4 électrons disponibles pour former 4 liaisons fortes avec ses voisins. Dans le graphite, les atomes de carbones ne font que trois liaisons fortes avec des voisins situés dans un même plan, si bien qu’il reste un électron par atome disponible pour transporter l’électricité. Chaque couche de graphite, isolée, s’appelle du <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne">« graphène »</a>.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Représentation des différents cristaux à base de carbone" src="https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=195&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=195&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/380919/original/file-20210127-23-1i5z36b.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=195&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Différents cristaux de carbone sont formés en fonction du nombre de liaisons entre les atomes de carbone. Dans cette vue artistique les atomes sont représentés par des boules noires et les liaisons par des tiges grises.</span>
<span class="attribution"><span class="source">F. Mesple, V. Renard/UGA</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Le graphène a été isolé pour la première fois il y a 17 ans à partir du graphite ce qui a valu à Kostia Novoselov et Andre Geim le <a href="https://www.pourlascience.fr/sd/physique/le-prix-nobel-de-physique-2010-pour-le-graphene-10714.php">prix Nobel en 2010</a>. Cette découverte démontrait qu’un cristal bidimensionnel pouvait être stable et que les électrons libres dans ce cristal sont tout à fait uniques : ils se comportent comme s’ils n’avaient pas de masse –, exactement comme les photons, les particules porteuses de la lumière. De plus, ils sont très difficiles à ralentir, si bien que le graphène est un des meilleurs conducteurs d’électricité connus. Ainsi, ce n’est pas le type d’atomes qui fait la différence entre le graphène et le diamant, mais bien la façon dont ils sont arrangés.</p>
<h2>Empiler deux couches pour « arrêter » les électrons du graphène</h2>
<p>Plus récemment, les chercheurs ont trouvé un moyen de créer de nouveaux cristaux totalement artificiels en empilant plusieurs couches de graphène. La technique utilisée est très simple, du moins en théorie : récupérer le cristal bidimensionnel (la couche de graphène, donc) sur un film polymère puis le déposer sur une autre couche. Si les couches ne sont pas parfaitement alignées, la superposition des réseaux atomiques des deux couches introduit une nouvelle périodicité, qu’on appelle un <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Moir%C3%A9_(physique)">« moiré »</a>.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Une couche de graphène est reportée sur une autre" src="https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=360&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=360&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=360&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=452&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=452&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/381053/original/file-20210128-21-1ionhsl.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=452&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Les chercheurs ont trouvé une méthode d’empiler des cristaux bidimensionnels les unes sur les autres. L’image de droite montre une couche de graphène sur le point d’être transférée sur une autre à partir d’un film polymère.</span>
<span class="attribution"><span class="source">F. Mesple, V. Renard/UGA</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Qui dit nouvelle périodicité, dit cristal d’un nouveau type, et de nouvelles propriétés. Celles-ci sont déterminées par l’angle de rotation entre les couches.</p>
<p>Alors que pour les grands angles entre les couches de graphène, le moiré reste simplement une curiosité, il est capable de ralentir fortement les électrons inarrêtables du graphène lorsque l’angle est petit. Il peut même les <a href="https://arxiv.org/abs/0904.1233">stopper complètement</a> quand l’angle entre les couches est proche de la valeur dite <a href="https://www.pnas.org/content/108/30/12233">« magique » de 1,1°</a>).</p>
<figure> <img src="https://nanoelectronicsgroup.fr/images/Moire_small.gif"><figcaption>Un moiré qui apparaît quand deux couches de graphène sont superposées avec une rotation. Il donne naissance à de nouveaux états de la matière lorsque l’angle de rotation entre les couches est proche de 1°. Source : F. Mesple, V Renard/UGA </figcaption></figure>
<p>Ce résultat peut sembler incroyable : et si on mettait deux autoroutes l’une sur l’autre pour stopper les voitures trop rapides ?</p>
<h2>À l’arrêt, les électrons jouent collectif et sont dans tous leurs états</h2>
<p>Mais ce n’est pas la fin de l’histoire. Les électrons sont en effet des particules chargées électriquement qui suivent la loi de Coulomb : en 1785, le physicien <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Charles-Augustin_Coulomb">Charles-Augustin Coulomb</a> explique que des charges de même signe se repoussent. Ainsi, les électrons libres s’évitent, un peu comme une foule cherchant à respecter la distanciation sociale en pleine crise de la Covid-19. Si une personne bouge, le reste de la foule doit ajuster sa position pour respecter une distance d’un mètre.</p>
<p>Ce comportement collectif est dit « corrélé ». Il nécessite que les électrons puissent bouger pour s’éviter, ce qui est en général possible dans un métal. Mais ce n’est pas le cas dans la bicouche de graphène tournée de 1,1°, dans laquelle les électrons sont contraints d’interagir. Pour réduire leurs interactions, ils se réorganisent donc dans de nouveaux états aux propriétés particulières.</p>
<p>Les électrons possèdent aussi un spin, c’est-à-dire une propriété intrinsèque qui les fait se comporter comme de petits aimants. Il est parfois préférable d’aligner leurs spins pour minimiser leurs interactions. Ainsi, un matériau peut devenir magnétique sous l’effet des interactions entre les électrons.</p>
<p>Dans d’autres situations, les électrons peuvent préférer se réorganiser et former un état isolant. On appelle ce genre de systèmes un isolant de Mott, en honneur à Nevil Mott qui comprit le premier que contrairement aux isolants usuels comme le diamant dont le caractère isolant provient directement de la périodicité du cristal, dans ce genre de matériaux elle découle plutôt de la répulsion Coulombienne.</p>
<p>Une troisième possibilité est l’état supraconducteur, où le courant électrique circule sans aucune résistance.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=347&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=347&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=347&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=436&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=436&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/381400/original/file-20210129-19-kbcz76.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=436&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Image au microscope à effet tunnel d’un moiré de graphène. L’image fait 19x11 nm².</span>
<span class="attribution"><span class="source">L. Huder & V. Renard/UGA</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Selon les conditions de l’expérience, par exemple la température, la pression, la densité d’électrons, l’un de ces différents états de la matière peut émerger. Ces trois états électroniques ont été observés dans les bicouches de graphène tournées : la <a href="https://arxiv.org/abs/1803.02342">supraconductivité</a>, les <a href="https://arxiv.org/abs/1802.00553">isolants dits « de Mott »</a>, et le <a href="https://arxiv.org/abs/1901.03520">magnétisme</a>. C’est cette versatilité qui crée une grande excitation de toute la communauté scientifique : ce système constitue une nouvelle porte pour répondre à de nombreuses questions qui demeurent sur cette physique des électrons corrélés.</p>
<h2>Et pourquoi pas d’autres matériaux que le graphène ?</h2>
<p>De nombreuses équipes se plongent dans ces questions, diversifiant du même coup le sujet de recherche qui va probablement révéler de nouvelles surprises.</p>
<p>Nous avons par exemple montré que les <a href="https://arxiv.org/abs/1803.03505">déformations d’une couche par rapport à l’autre</a> ont un <a href="https://arxiv.org/abs/2012.02475">fort impact</a> sur cette physique.</p>
<p>Mais ce n’est pas tout, car depuis la découverte du graphène, toute une nouvelle famille de cristaux bidimensionnels a été découverte. Ils sont constitués de différents types d’atomes organisés de diverses manières (par exemple le <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Disulfure_de_molybd%C3%A8ne">disulfure de molybdène</a> ou le <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Nitrure_de_bore#Nitrure_de_bore_hexagonal_(h-BN)">nitrure de bore hexagonal</a>) et leurs propriétés sont tout aussi diverses que celles des cristaux tridimensionnels (isolants, semi-conducteurs, conducteurs, supraconducteurs). Les chercheurs ont montré théoriquement que le moiré dans les superpositions de ces autres matériaux peut tout autant stopper leurs électrons libres que dans les bicouches de graphène.</p>
<p>Des états corrélés de la matière ont d’ailleurs déjà été détectés dans les doubles <a href="https://arxiv.org/abs/1903.08130">bicouches de graphene tournées</a> ou dans les bicouches tournées d’autres matériaux (par exemple le <a href="https://arxiv.org/abs/1910.12147">WSe2</a>). Très récemment, c’est spécifiquement la supraconductivité qui a été observée pour la première fois dans un autre matériau – des tri-couches de graphène – par <a href="https://arxiv.org/abs/2012.02773">deux</a> <a href="https://arxiv.org/abs/2012.01434">groupes</a> différents. En combinant les matériaux et leur rotation, on peut donc imaginer une infinité de nouveaux matériaux artificiels avec des propriétés électroniques originales.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/153264/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
Comment naît la supraconductivité ? Plongée dans la physique quantique, quand manipuler le graphène dans des configurations « magiques » permet d’explorer des états atypiques de la matière.
Vincent Renard, Maitre de conférence en physique, Université Grenoble Alpes (UGA)
Florie Mesple, Doctorante en matière condensée, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/152253
2021-01-08T10:34:05Z
2021-01-08T10:34:05Z
Vendée Globe : pour gagner, il faut apprendre à ne pas perdre
<p>Depuis le 8 novembre dernier, départ du <a href="https://www.vendeeglobe.org/">Vendée Globe</a> (VG), course autour du monde en solitaire, sans escale et sans assistance, l’Everest de la mer, il n’est pas un jour sans que l’on ne soit étonné du tournant haletant que prend la course.</p>
<p>Ceci résulte en partie du choix de la direction de course d’équiper les concurrents de voiliers prototypes appartenant à la <a href="https://www.imoca.org/fr/imoca/jauge">classe Imoca</a>.</p>
<p>Cette décision s’oppose au choix de la monotypie, où les skippers naviguent sur des bateaux en tous points identiques, ce qui ne laisse pas de place aux choix architecturaux des équipes et limite de fait la variété des voiliers utilisés. La monotypie s’impose dans de grandes courses autour du monde comme les précédentes éditions de la Volvo Ocean Race.</p>
<p>La jauge réglemente strictement le design et les choix architecturaux des bateaux, mais autorise aussi une variété importante de mises en œuvre. Les skippers naviguent, donc, sur des prototypes qui ne peuvent pas être testés dans toutes les conditions possibles rencontrées sur un tour du monde. Les occasions de tests en grandeur nature sont d’ailleurs limitées par un calendrier clairsemé des courses autour du monde à la voile et en solitaire (un VG tous les quatre ans). Les skippers reconnaissent d’ailleurs volontiers, lors des vacations radio, que le VG signifie pour eux, au mieux une avarie ou un problème à résoudre par jour.</p>
<p>Ce que <a href="https://sport.francetvinfo.fr/voile/vendee-globe/loeil-de-francois-gabart-le-vendee-globe-cest-une-course-par-elimination.amp">François Gabart</a>, ancien vainqueur du VG, traduit par le fait qu’un VG est une course « qui se gagne (avant tout) par élimination ». Comment dès lors, se préparer à affronter la course, les mers du Sud, la complexité du solitaire dans une course autour du monde sans assistance ?</p>
<h2>Des skippers en solitaire, mais épaulés par des équipes à terre</h2>
<p>Les solitaires ne sont pas seuls, ils sont le maillon clé de la réussite des projets et sont généralement épaulés par une <a href="https://www.lequipe.fr/Voile/Actualites/Qui-sont-les-33-participants-du-vendee-globe-2020-2021/1191705">équipe technique</a> à terre plus ou moins fournie qui va insuffler l’énergie et la force qui leur permettra de boucler la course. Ces équipes mettent en œuvre des stratégies de gestion des risques contrastées, pour répondre à ces questions.</p>
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<figcaption><span class="caption">Le Vendée Globe, une course pas si solitaire.</span></figcaption>
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<p>Elles se caractérisent par des moyens, une maturité, mais aussi des personnalités de skippers différentes. On peut dresser de l’étude de ces équipes, une typologie des deux grandes approches de la gestion des risques et des projets que nous allons exposer maintenant.</p>
<h2>Des projets conçus pour gagner le Vendée Globe</h2>
<p>Dans cette première moitié de course, les favoris, qui s’étaient préparés à remporter la victoire – par exemple avec la barre d’un bateau de dernière génération à <a href="https://www.ouest-france.fr/vendee-globe/vendee-globe-mais-au-fait-a-quoi-servent-les-foils-7044144">foils</a> (sorte d’ailes sous-marines permettant de limiter les frottements de l’eau sur la coque et de fait d’augmenter la vitesse) – ont soit abandonné, soit accusent un retard irréversible, soit naviguent aujourd’hui avec un bateau qui est loin de son potentiel optimal du fait d’avaries diverses.</p>
<h2>Alex Thomson : Gagner à tout prix le Vendée Globe</h2>
<p>L’objectif de l’équipe d’Alex Thomson (ATR), par exemple, a été clairement énoncé dès le début de leur campagne : construire le bateau idéal pour <a href="https://www.vendeeglobe.org/fr/skippers/122/alex-thomson">remporter la course</a>. Pour cela, l’équipe a opéré, en relation avec le skipper, des choix architecturaux audacieux pour son Imoca « Hugo Boss » (cockpit fermé, foils escamotables, forme de la coque originale) qui devaient être l’arme ultime pour gagner le Vendée Globe.</p>
<p>Le début de la course a donné raison au skipper gallois, qui a mené en tête la descente de l’Atlantique sud, jusqu’à la survenue d’une première avarie. Celle-ci, loin d’interrompre les ambitions du skipper, l’ont amené à réparer des dégâts structurels importants à l’avant de son Imoca et a ainsi révélé à tous que Alex Thomson, surnommé « The Boss », avait embarqué avec lui une quantité extravagante de carbone et de résine pour permettre cette réparation, en navigation. De plus, le skipper a su mobiliser des ressources mentales et techniques pour répondre à cette situation de crise.</p>
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<figcaption><span class="caption">Alex Thomson, le Vendée Globe à tout prix.</span></figcaption>
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<p>Au-delà de cette constatation, cela suppose, encore, qu’en bon gestionnaire des risques, l’équipe ATR a anticipé qu’une défaillance structurelle sur le voilier était suffisamment probable et grave pour qu’il faille préparer le skipper à la possibilité d’avoir à la réparer, en naviguant. Le « Boss » se remet en course deux jours plus tard avec un bateau revenu à son niveau de performance initial mais, comble de malchance, il heurte un <a href="https://www.lequipe.fr/Voile/Article/Ofni-la-menace-permanente-pour-les-voiliers-du-vendee-globe/1201046">OFNI</a> (Objet flottant non identifié) qui <a href="https://www.bateaux.com/article/35452/fin-de-vendee-globe-2020-pour-alex-thomson-sur-hugo-boss">détruit son safran</a> (partie immergée du gouvernail). Or, celui-ci est irréparable et l’équipe ATR n’a malheureusement pas prévu d’embarquer safran de remplacement. C’est alors, l’abandon, inéluctable.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1330427260973756422"}"></div></p>
<p>L’équipe d’Alex Thomson a adopté une <a href="https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00159463/">approche ingénierique des risques</a> en focalisant son analyse sur un niveau de moyens à mettre en place pour générer un niveau de performances souhaité. Or, avec des moyens financiers et cognitifs limités, ils ont anticipé un nombre important d’avaries possibles mais n’ont pu les envisager toutes. Ils ont alors fait « comme si » la liste des événements auxquels le coureur devrait faire face était exhaustive et ont « fait le pari » de fixer un niveau de moyens techniques et humains pour garder le voilier dans un état optimal de performances.</p>
<h2>Kevin Escoffier : la prudence ne suffit pas toujours</h2>
<p><a href="https://www.ouest-france.fr/vendee-globe/vendee-globe-le-skipper-naufrage-kevin-escoffier-en-visite-chez-prb-7090199">Kevin Escoffier</a>, skipper malheureux du <a href="https://www.imoca.org/fr/bateaux/prb">PRB</a> (Produits de revêtement du bâtiment), raconte qu’il a mis 200 kg de carbone et fait tout ce qui lui semblait juste pour renforcer la structure de son bateau. Celui-ci s’est pourtant disloqué en quelques secondes sous ses yeux alors qu’il était monté à bord de son radeau de survie.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1338808260900610050"}"></div></p>
<p>On voit ici qu’une bonne gestion des risques ne suffit pas à la réussite d’un VG. Il faut avoir, en plus, <strong>la capacité</strong> (les raisonnements et les moyens d’action) <strong>pour gérer une incertitude</strong> d’autant plus radicale qu’elle trouve sa source à la fois dans le matériel, le skipper et son environnement.</p>
<p>Dès lors, si l’objectif de gagner la course n’est pas possible dans une seule logique de moyens, quelle autre approche peuvent adopter les skippers pour faire le VG ?</p>
<h2>Pour une approche vertueuse de gestion des risques</h2>
<p>D’autres équipes, à l’instar du <a href="https://www.voile.banquepopulaire.fr/news">Team Banque Populaire</a>, développent une approche moins centrée sur les résultats et plus sur une logique de fiabilité des processus. Cette approche en <a href="https://www.researchgate.net/publication/49133500_Lost_Roots_How_Project_Management_Came_to_Emphasize_Control_Over_Flexibility_and_Novelty">management de projet</a> permet de s’affranchir de la seule logique de moyens en se concentrant sur le chemin à parcourir pour achever la course en prenant en compte de manière dynamique la question de l’environnement. Cette stratégie semble payante puisque l’équipe a déjà terminé deux VG avec des bateaux qui étaient encore fonctionnels et sûrs à leur arrivée aux Sables-d’Olonne.</p>
<p>Il est probable qu’il en sera de même pour <a href="https://www.ouest-france.fr/vendee-globe/vendee-globe-clarisse-cremer-s-apprete-a-franchir-le-cap-leeuwin-sous-bonne-escorte-7088896">Clarisse Cremer</a>, skippeuse de l’équipe pour l’édition 2020-21 du VG.</p>
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<figcaption><span class="caption">Interview Clarisse Crémer, jeune skippeuse, à la veille du départ du Vendée Globe 2020.</span></figcaption>
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<p>Ce qui est intéressant c’est que cette attention à toutes les dimensions de la fiabilité infuse aussi dans les comportements et l’engagement des skippers. <a href="https://voilesetvoiliers.ouest-france.fr/course-au-large/vendee-globe/video-vendee-globe-balcon-arriere-arrache-pour-isabelle-joschke-elle-continue-la-course-10ea0520-2be5-11eb-94c1-4b98b0618ba6">Isabelle Joschke</a>, skippeuse de MACSF, a mis sa course entre parenthèses dans la descente de l’Atlantique pour tenter de remplacer son balcon arrière (garde au corps) arraché lors d’un fort coup de vent. L’idée-force est de penser au processus qui contribue à la performance plutôt que de se focaliser sur le résultat de la performance à atteindre.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/xqAde3gQ_zI?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">Balcon arrière arrachée pour MACSF sur le Vendée Globe.</span></figcaption>
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<p>Ici la skippeuse préfère trouver une solution qui ne sera pas optimale, mais qui lui permettra de poursuivre son tour du monde. On voit que la vision du projet par les processus, plus que par les moyens va placer les skippers dans une perspective vertueuse et changer leur vision de la course ou de l’aventure. Il ne s’agit plus de gravir <a href="https://www.researchgate.net/publication/257094625_Escalating_commitment_in_the_death_zone_New_insights_from_the_1996_Mount_Everest_disaster">l’Everest</a> coûte que coûte et le plus rapidement possible mais plutôt d’accepter de le gravir sans la contrainte de devoir d’y arriver le premier.</p>
<h2>Entre fiabilité et performance en situation extrême</h2>
<p>Les équipes qui adoptent cette approche, embrassent l’idée que pour gagner le VG, il faut d’abord le terminer, au prix de ne pas avoir un bateau qui soit capable de le gagner. C’est-à-dire en faisant le deuil d’un bateau qui soit au mieux de ses performances intrinsèques. Il y a de fait dans les attitudes des skippers, un changement de perspective, où il ne s’agit plus de les préparer à gagner, mais de leur assurer des capacités de raisonnement et d’action dans des situations extrêmes et face à de l’incertitude radicale rencontrées sur le <a href="https://www.vendeeglobe.org/fr/cartographie">parcours</a>. Peu importe l’avarie (ou presque), ces skippers et leurs équipes mettent en œuvre des raisonnements et des processus qui portent en eux les gènes de la fiabilité et qui les mènent, <em>in fine</em>, sur la voie de la performance.</p>
<p>Ainsi, concevoir un projet de course au tour du monde pour le gagner, en se concentrant uniquement sur le résultat et les moyens à mettre en œuvre pour y parvenir, semble, dans la plupart des cas, voué à l’échec. Car, ce faisant, les équipes raisonnent à risques donnés alors même que les skippers et les bateaux vont devoir affronter des situations où l’incertitude est généralisée. S’intéresser à la fiabilisation des projets en tant que processus permet de renverser la perspective naturelle : <em>pour gagner une course, il faut d’abord et avant tout apprendre à ne pas la perdre et, bien sûr… avoir un peu de chance</em>.</p>
<p>Ces exemples illustrent les difficultés couramment rencontrées lorsqu’on conduit des projets dans des situations extrêmes où règne une incertitude importante. Un parallèle peut être fait dans des organisations plus classiques, lors de la construction de projets dans les organisations et les entreprises, par exemple, où la question n’est finalement, plus de savoir comment gagner tel appel d’offres, mais plutôt de s’engager dans un processus qui permet de ne pas le perdre.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/152253/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Je suis le skipper remplaçant de Jérémie Beyou pour le Vendée globe 2020.
Je suis aussi directeur de la société MARSAIL qui propose des formations management et leadership
</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Mathias Szpirglas ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Une fois de plus, cette épreuve mythique nous montre que la victoire s’obtient grâce à un savant équilibre entre gestion des risques, performance et travail d’équipe.
Mathias Szpirglas, Maitre de conférences, chercheur à l'Institut de Recherche en Gestion, IAE Gustave Eiffel, Université Gustave Eiffel
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/151775
2020-12-17T19:35:11Z
2020-12-17T19:35:11Z
Sobriété : à quand un Yuka pour comparer les matériaux dans nos produits ?
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/375655/original/file-20201217-17-1ghcxtt.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Une consommation durable passe notamment par une information claire sur les contenus en matériaux de nos achats. </span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/fr/image-photo/young-man-stands-behind-his-laptop-1051249994">shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>Dans un article récent, <a href="https://theconversation.com/pourquoi-les-etiquettes-energie-ont-elles-encore-change-150785">Corinne Faure et Joachim Schleich</a> s’interrogeaient sur les changements opérés sur les étiquettes énergétiques des produits électroménagers, ces adhésifs censés guider les consommateurs dans leurs achats pour accélérer le déploiement des produits les moins énergivores. En parallèle des politiques d’intégration des énergies renouvelables, la recherche d’efficacité énergétique est au centre des préoccupations actuelles des politiques européennes dans le cadre de la dynamique de transition énergétique.</p>
<p>En 2007, l’Union européenne avait fixé un objectif d’efficacité énergétique de <a href="https://www.europarl.europa.eu/factsheets/fr/sheet/69/efficacite-energetique">20 % en 2020</a>, objectif revu à la hausse en 2018 dans la politique « Une énergie propre pour tous les Européens » avec une cible de 32,5 % en 2030. Si de nombreuses politiques européennes ou nationales se focalisent sur la question énergétique, la question des matériaux de la transition et plus globalement de nos consommations de matériaux dans la vie quotidienne est souvent reléguée au second plan.</p>
<p>Pourtant, le seul secteur de l’extraction et de la production des métaux contribuerait à environ 16 % de la consommation énergétique mondiale. En outre, selon un rapport publié en 2019 par l’<a href="https://www.oecd.org/environment/waste/highlights-global-material-resources-outlook-to-2060.pdf">OCDE</a>, la consommation mondiale de matériaux (métaux, énergies fossiles, biomasse, matériaux non métalliques), évaluée à 33 kg par jour et par personne, devrait être portée à environ 45 kg à l’horizon 2060. Et l’ensemble des zones économiques mondiales devrait être touché.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=291&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=291&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=291&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=366&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=366&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/374411/original/file-20201211-23-1xu599u.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=366&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Croissance du PIB et croissance de la consommation de matériaux entre 2011 et 2060.</span>
<span class="attribution"><span class="source">OCDE</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Les travaux réalisés sur les matériaux de la transition énergétique à <a href="https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/enjeux-et-prospective/decryptages/les-metaux-transition-energetique">IFP énergies nouvelles</a> ont notamment permis de mettre en exergue l’importance de certains métaux pour les technologies bas-carbone et ont mis en évidence des <a href="https://theconversation.com/pourquoi-parle-t-on-de-criticite-des-materiaux-105258">criticités</a> différenciées selon les matériaux.</p>
<p>Ainsi, en l’absence de technologies de rupture, le <a href="https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/article/cuivre-transition-energetique-metal-essentiel-structurel-et-geopolitique">cuivre</a> et le <a href="https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/article/cobalt-transition-energetique-quels-risques-dapprovisionnements">cobalt</a> pourraient être fortement critiques à l’horizon 2050 dans des scénarios climatiques ambitieux, au contraire de métaux plus traités dans l’actualité quotidienne comme le lithium et les terres rares.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=116&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=116&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=116&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=145&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=145&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/374544/original/file-20201211-16-1aarneq.JPG?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=145&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Ratio maximum de la demande cumulée de matériaux à l’horizon 2050 rapporté aux ressources prouvées en 2010. Les chiffres se lisent de la manière suivante : pour le cobalt, dans un scénario 4 °C, la demande cumulée mondiale représentera 64 % des ressources prouvées mondiales en 2010, contre 83,2 % dans un scénario 2 °C.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Auteurs</span></span>
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<p>Au-delà de la question de la criticité se pose la question de la place des matériaux et des matières premières en général dans l’économie et dans la perception des citoyens, lors de leurs actes d’achats quotidiens.</p>
<h2>Les matières premières, une préoccupation cyclique</h2>
<p>Objet central de l’économie à travers l’allocation des ressources, les matières premières ont été le centre de préoccupations au XVIII<sup>e</sup> et XIX<sup>e</sup> siècle des premiers classiques (Malthus, Ricardo) et de certains marginalistes, notamment Jevons avec son ouvrage <em>The Coal Question</em> qui mit en évidence la notion d’effet rebond. Elles sont réapparues à la fin des années 1960 avec la question de l’épuisement des ressources naturelles dans les préoccupations du Club de Rome.</p>
<p>Dans le contexte des Trente Glorieuses (1945-1975) qui avait vu une hausse rapide du niveau de vie dans les pays développés et une utilisation massive des ressources dans le processus de reconstruction et d’urbanisation, les travaux du Club de Rome étaient apparus comme divergentes du paradigme économique d’abondance des matières premières, négociables à faible coût au niveau mondial.</p>
<p>Commandé en 1970 et publié en 1972, le rapport Meadows, <a href="https://clubofrome.org/publication/the-limits-to-growth/"><em>Les limites à la croissance</em></a>, avait exposé, pour la première fois, un risque de pénurie de matières premières sur la base de scénarios à long terme. Le rapport trouvera une résonance particulière avec les évènements observés sur les marchés de matières premières agricoles et énergétiques durant la décennie 1970, et suscitera des interrogations plus larges en matière de politiques publiques avec la mise en avant du concept global de sécurité d’approvisionnement.</p>
<h2>Le XXIᵉ siècle, libéré de la question ?</h2>
<p>Toutefois, les marchés de matières premières vont avoir tendance à disparaître des préoccupations majeures des industriels et des économistes durant la décennie 1980, avec la baisse des prix généralisée. Un nouveau changement de paradigme s’installe durant les années 1990, symbolisé par la montée en puissance du secteur des nouvelles technologies de l’information et des communications (NTIC). La dématérialisation progressive des économies et leur tertiarisation devaient, croyait-on à l’époque, marquer la fin de la dépendance aux matières premières.</p>
<p>Enfin libérée, l’économie mondiale allait, via Internet et la « nouvelle économie », s’épanouir en s’émancipant du contenu matières de ses approvisionnements, et ce d’autant plus que les prix des matières premières avaient touché, en cette fin de siècle, les niveaux les plus bas jamais enregistrés. La crise asiatique avait ainsi provoqué l’effondrement des prix du pétrole à moins de 10 dollars le baril, alors que dans le même temps, certaines sociétés des NTIC voyaient leur valorisation multipliée par 100 en quelques semaines sur la seule perspective de gains futurs. Cet « oubli » de la question des matières premières aura notamment pour conséquence un désintérêt des investisseurs pour le secteur minier et un mouvement profond de rationalisation des principales activités industrielles, particulièrement dans le secteur des métaux non-ferreux.</p>
<h2>Les matériaux critiques, enjeu de la transition</h2>
<p>L’entrée de la Chine dans l’Organisation mondiale du commerce en décembre 2001 et son modèle d’industrialisation durant la décennie 2000 sont l’occasion d’un retour de la préoccupation à l’égard des matières premières dans l’économie planétaire.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1055000305820143616"}"></div></p>
<p>La dynamique de transition énergétique actuelle place également les matières premières au centre du jeu économique et géopolitique mondial. Avec le déploiement des technologies bas-carbone (éolien, solaire et stockage) et en raison de leur contenu en matériaux plus important que les technologies traditionnelles (centrales et véhicules thermiques), la transition énergétique contribuerait à une hausse marquée de la demande en matériaux et pourrait bouleverser la géopolitique des marchés de matières premières. Dans ce contexte, les politiques publiques de mobilité soutenable et d’investissements dans les filières du recyclage apparaissent essentielles.</p>
<p>Les politiques de recyclage constituent par exemple un levier fondamental pour la réduction de la criticité sur les métaux. Elles permettent un double dividende stratégique en diminuant les importations de matériaux (et donc le déficit de la balance commerciale) et les impacts environnementaux. Les matériaux issus du recyclage enregistrent en effet une baisse relative de la consommation en énergie, en eau et une décrue des émissions de gaz à effet de serre (GES) pour la production de métaux.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=235&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=235&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=235&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=296&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=296&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/374413/original/file-20201211-13-1nbnkx4.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=296&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Quantité d’eau et d’énergie utilisée pour l’extraction de minerai ou la réutilisation de déchets de l’industrie minière.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Sverdrup and Koca, 2016</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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</figure>
<h2>Pour un Yuka des matériaux</h2>
<p>L’action publique doit ainsi favoriser l’ensemble des leviers permettant de diminuer les pressions sur les ressources en informant les consommateurs sur l’importance de leurs décisions. <a href="https://www.lemonde.fr/planete/article/2016/10/01/le-sulfureux-parcours-du-telephone-portable-des-mines-aux-filieres-clandestines-de-dechets_5006655_3244.html">Un article publié dans <em>Le Monde</em> en 2016</a> pointait du doigt que « sur les 25 millions de téléphones portables mis sur le marché en France chaque année, seuls 15 % étaient collectés pour être réparés, réemployés ou recyclés ».</p>
<p>À l’heure actuelle, l’encouragement à la sobriété matériaux devrait être central dans l’accompagnement du citoyen dans le contexte de transition bas carbone. La notion bas carbone n’est pourtant pas associée dans la perception des acteurs économiques et des décideurs à la minimisation de la consommation de matériaux. Or cet enjeu est essentiel pour aller vers une société globalement sobre. D’un comparateur de contenu à celui d’un affichage obligatoire pour les produits de consommation courante, diverses initiatives peuvent être mises en place. Ces actions nécessiteraient l’établissement d’une méthodologie claire à l’image de celle développée par Yuka dans l’alimentation.</p>
<p>Ces initiatives auraient en outre un effet bénéfique sur la compréhension des politiques européennes sur le sujet. En septembre 2020, la Commission européenne a publié <a href="https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/fr/ip_20_1542">sa liste des matériaux critiques</a> pour l’Union européenne. Mise à jour tous les 3 ans depuis 2011, elle donne les matériaux considérés comme critiques pour l’Union et les politiques à instaurer. Mais qui en dehors des industriels et des milieux économiques sait que 30 matériaux font désormais l’objet d’études au niveau européen, contre 14 en 2011 ? Ce type d’initiatives rapprocherait l’Union européenne et le citoyen en informant ce dernier de façon claire.</p>
<p>Plus généralement, les politiques de transition écologique ne pourront faire abstraction d’une véritable réflexion sur la sobriété, non seulement énergétique mais également en matériaux. Le bannissement du jetable, une législation sur le délit d’obsolescence programmée sont autant de politiques indispensables pour s’acheminer vers une planète plus sobre en ressources. La dynamique collective et citoyenne devrait pouvoir s’appréhender avec une information claire sur les contenus en matériaux de nos achats, nous transformant ainsi en <em>consom’acteur</em> responsable.</p>
<p>En parallèle de narratifs prospectifs sur un monde sobre en ressources à l’horizon 2050, la sobriété de nos sociétés exige une politique d’apprentissage des différents acteurs, entreprises et consommateurs.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/151775/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Emmanuel Hache a reçu des financements de l'Agence nationale de la recherche (ANR) pour le projet GENERATE (Géopolitique des énergies renouvelables et analyse prospective de la transition énergétique) entre 2018 et 2020. Il est chercheur associé au laboratoire Economix de l’université Paris Nanterre et directeur de recherche à l’Institut de Relations Internationales et Stratégiques (IRIS). </span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Charlène Barnet et Gondia Sokhna Seck ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.</span></em></p>
On parle beaucoup de sobriété énergétique, mais la sobriété des matériaux est aussi essentielle pour diminuer la pression sur les ressources.
Emmanuel Hache, Économiste et prospectiviste, IFP Énergies nouvelles, Auteurs historiques The Conversation France
Charlène Barnet, Economiste, IFP Énergies nouvelles
Gondia Sokhna Seck, Spécialiste modélisation et analyses des systèmes énergétiques, IFP Énergies nouvelles
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/146144
2020-11-02T19:57:13Z
2020-11-02T19:57:13Z
Les minéraux argileux, sources d’innovation depuis des millénaires
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/365039/original/file-20201022-13-u515n3.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=1714%2C287%2C6280%2C3703&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">La citadelle de Bam en Iran est la plus grande structure en adobe du monde, datant d'au moins 500 avant JC.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bc/Fortaleza_de_Bam%2C_Ir%C3%A1n%2C_2016-09-23%2C_DD_09.jpg">Wikipédia, Diego Celso</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><figure class="align-right ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=243&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=243&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=243&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=305&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=305&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/349128/original/file-20200723-35-4r1lck.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=305&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption"></span>
</figcaption>
</figure>
<p><em>Cet article est publié dans le cadre de la prochaine Fête de la science qui aura lieu du 2 au 12 octobre prochain en métropole et du 6 au 16 novembre en outre-mer et à l’international et dont The Conversation France est partenaire.
Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site <a href="https://www.fetedelascience.fr/">Fetedelascience.fr</a>.</em></p>
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<p>Les minéraux argileux sont l’une des premières ressources naturelles utilisées par l’espèce humaine. Ils ont accompagné le développement de nombreux domaines : habitat, outillage, art, communication, santé, hygiène, matériaux. Un mélange d’argile, de sables et de paille hachée, nommé (<a href="https://theconversation.com/le-plus-vieux-materiau-de-construction-au-monde-est-aussi-le-plus-ecoresponsable-133587">adobe</a>) fait ainsi partie des premiers matériaux de construction et <a href="http://www.kere-architecture.com/projects/primary-school-gando/">est toujours utilisé</a> dans le monde entier.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=370&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=370&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=370&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=465&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=465&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/367243/original/file-20201103-13-74xo80.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=465&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Ecole primaire de Gando, au Burkina Faso, architecte Francis Kéré.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Photo Siméon Duchoud</span></span>
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<p>Les argiles ont aussi largement contribué à l’essor de la communication. Les Sumériens, Babyloniens, Assyriens et Hittites ont dès 4000 ans av. J.-C. gravé leurs sceaux dans des tablettes d’argiles à l’aide d’un roseau taillé en pointe et ont aussi constitué le premier support de l’écriture cunéiforme, support recyclable. Séchées à l’air ou au soleil, ces tablettes non cuites restaient fragiles ; un simple trempage dans l’eau permettait de les réutiliser. En revanche, après cuisson dans un four, elles pouvaient être conservées, <a href="https://www.louvre.fr/oeuvre-notices/tablettes-archaiques">donnant ainsi naissance aux premières bibliothèques</a>.</p>
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<span class="caption">Tablette à écriture précunéiforme.</span>
<span class="attribution"><span class="source">2011 Musée du Louvre / Thierry Ollivier</span></span>
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<p>Leurs propriétés absorbantes en font également des matériaux de choix dans le domaine de la <a href="https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-94-007-4375-5_18">santé</a>, sous forme de cataplasmes, dans des pansements à usage externe, ou encore en tant que pansement gastrique. Les argiles rentrent également dans la composition de nombreux produits cosmétiques (savons, masques, maquillage) ou sont appliquées directement comme dans le cas du ghassoul. Le ghassoul, absorbe les corps gras ; les autres argiles peuvent contribuer à l’hydratation de la peau, sa purification, sa reminéralisation. L’action de l’argile peut aussi être antiseptique et cicatrisante.</p>
<h2>La structure des minéraux argileux</h2>
<p>Les minéraux argileux sont présents depuis des millénaires dans l’histoire humaine, mais leur structure n’a été ou comprise que dans les années 1920 après l’invention des techniques de <a href="http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Diffraction-rayons-X-techniques-determination-structure.xml">diffraction des rayons X</a>.</p>
<p>La notion d’« argiles » est utilisée pour nommer toutes les particules minérales qui font moins de deux micromètres. Cette taille est de l’ordre de la résolution du microscope optique. Les cristaux de minéraux argileux sont donc très petits, et pour examiner en détail leur structure, il a fallu attendre le développement d’équipements ayant une résolution plus importante. Il se trouve que la longueur des rayons X est de la même échelle que les distances entre les atomes dans les cristaux. Suite à la découverte du phénomène de la diffraction des rayons X et de la relation entre la longueur d’onde des rayons X et la distance entre les atomes, il est donc devenu possible d’étudier la structure cristalline, y compris celle des minéraux argileux.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=135&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=135&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=135&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=170&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=170&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/365047/original/file-20201022-16-1gr2wcr.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=170&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<p>En 1927, le scientifique français <a href="https://www.persee.fr/doc/bulmi_0366-3248_1928_num_51_5_4050">Charles Maugin</a> détermina avec une précision exacte la taille de mailles cristallines des micas et leur composition chimique. Puis en 1930 le célèbre chimiste <a href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC526695/pdf/pnas01010-0027.pdf">Linus Pauling</a> fut le premier à résoudre les structures des minéraux argileux : talc, pyrophyllite, muscovite et chlorite. Ainsi, nous connaissons aujourd’hui la structure exacte de ces cristaux minuscules. Leur structure est composée des couches siliciques et magnésiennes ou alumineuses qui forment des feuillets qui à leur tour sont empilés pour former des cristaux lamellaires. Les principaux éléments qui entrent dans la structure des minéraux argileux sont le Si, Al, Mg, O et H, mais de nombreux autres éléments peuvent s’y trouver tels que Fe, Ni et Zn.</p>
<p>La grande variété des minéraux argileux provient de la possibilité de combiner ces éléments de plusieurs façons bien définies via notamment des substitutions d’un élément par un autre au sein d’un feuillet. Ceci en revanche va conférer des propriétés particulières et bien différentes en fonction de la quantité et la position des substitutions dans la structure des minéraux argileux. Différents autres éléments tels que le sodium, le potassium ou encore le calcium peuvent également se trouver entre les feuillets.</p>
<h2>Mimer la nature : synthèse des minéraux argileux dans le laboratoire</h2>
<p>Présentes sur la quasi-totalité de la surface de la Terre, les argiles ont des compositions et propriétés dépendantes des conditions géologiques dans lesquelles elles se sont formées. Pour une même argile, des caractéristiques très diverses à la fois en matière de compositions chimiques, coloration, cristallinité, nature des phases associées peuvent être observées en fonction de la nature du gisement.</p>
<p>Ces hétérogénéités peuvent être un frein pour certaines applications industrielles dans lesquelles il est nécessaire d’utiliser des composés purs. Des recherches ont ainsi été initiées afin de synthétiser ces matériaux, qui dans les conditions géologiques, mettent plusieurs millions d’années à se former.</p>
<p><a href="https://doi.org/10.1002/chem.201702763">L’histoire de la synthèse de talc</a> illustre à la fois la manière dont les chercheurs ont réussi à préparer un talc pur et l’évolution des méthodes de préparation via des méthodes de plus en plus douces.</p>
<p>Alors que les <a href="https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/gsabulletin/article-abstract/60/3/439/4281/THE-SYSTEM-MgO-SiO2-H20?redirectedFrom=PD">premiers essais de synthèse</a> ont été faits à des températures voisines de 1000 °C et des pressions allant jusqu’à 2800 bars et pour des durées de cristallisation de quelques jours, il est aujourd’hui possible d’obtenir des talcs en quelques dizaines de secondes par un <a href="https://doi.org/10.1002/anie.201604096">procédé continu en eau supercritique</a> – les propriétés de l’eau en état supercritique (au-delà de 374 °C et 218 bar) sont intermédiaires entre celles de l’état gazeux et liquide.</p>
<p>Hormis le talc, d’autres minéraux argileux ont à présent des analogues synthétiques. Les méthodes de préparation permettent outre la maîtrise de la composition chimique, la modulation de la longueur des feuillets, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications.</p>
<p>Parmi les dernières voies de synthèse mises au point, figure également la <a href="https://www.youtube.com/watch?v=CCdywP9-9CQ">voie sol-gel</a> permettant de former, à température et pression ambiante et en une seule étape, des composés de type talc comportant des groupements fonctionnels, évitant ainsi les traitements post-synthèse nécessaires pour conférer certaines propriétés aux matériaux.</p>
<h2>Les minéraux argileux, matériaux durables pour le futur</h2>
<p>Les argiles employées depuis des millénaires sont des matériaux versatiles. Les développements actuels dans le domaine de l’environnement (<a href="https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.02.003">piégeage de polluants organiques et minéraux</a>, <a href="https://doi.org/10.1016/j.cattod.2018.12.030">catalyse</a>…) de matériaux multifonctionnels tels les composites polymères argiles permettant par exemple de conférer des <a href="https://doi.org/10.1080/15583724.2018.1450756">propriétés anti-feu</a>. <a href="https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12010051">Les systèmes de relargage contrôlé de molécules d’intérêt</a> sous l’action d’une modification de pH, de la lumière ou d’un champ magnétique ouvrent la voie à de nouvelles applications dans le futur et ce notamment dans les applications biomédicales.</p>
<p>Elles connaissent également un regain d’intérêt dans le domaine de la construction avec notamment, le renouveau des techniques de construction en terre crue, apportant des propriétés thermiques et acoustiques tout en n’engendrant pas d’émission de Composés Organiques Volatils (COV), caractéristiques importantes à la fois dans la conception d’habitations répondant à la certification HQE (Haute Qualité Energétique) et la réduction de la pollution de l’air intérieur. Enfin, la possibilité de préparer des argiles de composition chimique bien définie, par des voies de synthèse respectueusement de l’environnement élargit encore l’éventail d’applications.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/146144/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>
Les minéraux argileux ont accompagné le développement de l'espèce humaine depuis des millénaires. Pourtant, on ne comprend leur composition que depuis peu.
Liva Dzene, Maîtresse de conférence en chimie, Université de Haute-Alsace (UHA)
Jocelyne Brendlé, Directrice de l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse, Université de Haute-Alsace (UHA)
Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.
tag:theconversation.com,2011:article/133535
2020-03-19T20:21:12Z
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Un éclairage mathématique sur l’ingénierie du photovoltaïque
<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/321645/original/file-20200319-22632-1s2mrgg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=40%2C16%2C5373%2C2889&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Panneaux photovoltaïques, commune des Mées (Alpes-de-Haute-Provence), photo de Christian Pinatel de Salvator; surimpression des équations mathématiques de la thèse de l'auteur.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Panneaux_PhotV_Les_M%C3%A9es.JPG">Wikimedia Commons, modifiée</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>La consommation mondiale en énergie connaît une augmentation considérable depuis des décennies, augmentation qui n’est pas près de s’arrêter selon les <a href="https://www.eia.gov/outlooks/ieo/pdf/ieo2019.pdf">rapports</a> de l’US Energy Information Administration. La majorité de la production énergétique mondiale est issue de sources limitées et polluantes avec des conséquences dramatiques sur la santé de notre planète comme l’indique l’<a href="https://www.iea.org/reports/renewables-2019">International Energy Agency</a>. Il devient donc plus que nécessaire de développer d’autres sources propres et durables. L’énergie solaire photovoltaïque fait partie des candidats favoris à cette transition énergétique. Aussi, de <a href="https://www.ipvf.fr/recherche-2/">nombreuses</a> <a href="https://www.ines-solaire.org/fr/recherche-innovation/">équipes</a> de recherche œuvrent à développer de nouvelles technologies de cellules solaires dans l’objectif d’améliorer leurs rendements, de diminuer leur coût et de limiter l’empreinte carbone de leur fabrication.</p>
<p>À travers cet article, nous verrons comment les mathématiques peuvent participer à cette aventure technologique dont l’enjeu dépasse le simple loisir scientifique. Nous expliquerons comment les outils de simulation numérique peuvent apporter un éclairage nouveau sur la question du rendement photovoltaïque, appuyant ainsi les méthodes usuelles en ingénierie des matériaux. L’objectif de l’article n’est pas de donner les détails techniques ou les résultats de notre <a href="https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01789637">étude</a>, mais vise surtout à exposer les étapes clés d’une démarche de recherche en mathématiques appliquées.</p>
<h2>Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque</h2>
<p>Rappelons d’abord succinctement le mode de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque.</p>
<p>Une cellule photovoltaïque est fabriquée avec un <a href="https://couleur-science.eu/?d=10d2d2--cest-quoi-un-semi-conducteur">matériau semi-conducteur</a> qui a la particularité de conduire le courant électrique sous l’excitation de la lumière. Les électrons à la surface de la cellule n’ont en effet besoin que d’un petit coup de pouce énergétique pour se déplacer et créer ainsi le courant électrique tant convoité. Cet apport énergétique est fourni par la lumière du soleil. En réalité, seule une toute petite fraction de la lumière solaire est captée par les cellules photovoltaïques. En conséquence, le rendement des cellules (c’est-à-dire le rapport entre l’énergie reçue en entrée et l’énergie électrique produite en sortie) reste très limité. Ce <a href="https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html">rendement</a> varie selon les matériaux et augmente à mesure que les technologies se perfectionnent, mais ne dépassent pas encore les 28 % pour les cellules classiques à base de Silicium et les 20 % dans le cas des cellules à couches minces.</p>
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<figcaption><span class="caption">Comment fonctionnent les panneaux solaires ? (C’est pas sorcier).</span></figcaption>
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<p>Le but du jeu consiste donc à améliorer ce rendement. Pour cela, on commence d’abord par décrire ce qu’est un matériau « optimal » en théorie et ensuite, grâce à la fascinante efficacité des mathématiques, on essaie de retrouver les matériaux existant en pratique qui nous permettront de construire des cellules « optimales » ? On appelle une telle démarche d’ingénierie <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9tro-ing%C3%A9nierie">« inverse design »</a> et en mathématiques, c’est un <a href="https://www.refletsdelaphysique.fr/articles/refdp/pdf/2012/04/refdp201231p12.pdf">« problème inverse »</a>.</p>
<h2>Modéliser, analyser, simuler : une recette efficace</h2>
<p>La première étape de l’étude consiste à faire un modèle mathématique du système. Il s’agit d’éliminer toutes les questions secondaires à travers des hypothèses simplificatrices pour ne se concentrer que sur la question principale. Dans notre cas, cette question est : « Quelles sont les niveaux d’énergie des électrons de la cellule ? » En effet, la réponse à cette question permet de prédire la quantité d’énergie nécessaire pour mettre en mouvement les électrons, et donc créer un courant électrique.</p>
<p>Pour élaborer notre modèle, on suppose que le matériau photovoltaïque est composé d’une infinité d’atomes parfaitement ordonnés (cette hypothèse est évidemment fausse mais représente une approximation suffisante pour les calculs). Les électrons de ces atomes peuvent bouger à travers une quantité qu’on appelle le <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_interatomique">« potentiel atomique »</a>, dont la forme dépend du matériau utilisé.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=828&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=828&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=828&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1041&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1041&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/320784/original/file-20200316-27664-1t4twdf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1041&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Erwin Schrödinger en 1933.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger#/media/Fichier:Erwin_Schr%C3%B6dinger_(1933).jpg">Wikipedia</a></span>
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<p>Par ailleurs, en suivant le formalisme de la physique quantique, on considère que les niveaux d’énergie que l’on cherche à calculer sont donnés par les solutions de la fameuse <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quation_de_Schr%C3%B6dinger">équation de Schrödinger</a>.</p>
<p>En pratique, ces niveaux d’énergie forment des fonctions qu’on appelle des bandes d’énergie séparées par des gaps. Un de ces gaps est particulièrement important : il faut l’imaginer comme l’apport énergétique nécessaire pour faire bouger un électron. Le rendement d’un matériau photovoltaïque est donc <a href="https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.1736034?casa_token=oVlh7LjTKJEAAAAA%3AbI4ral_yArBXPyZC9tKCoT5Jbas7W1PfTOei8T3rfXMd0bbqFkbcSX43g1sOSA1gB3MQf7Ova2on&">lié</a> à la taille de ce petit coup de pouce énergétique.</p>
<h2>Identifier la cible avec les collègues chimistes et physiciens</h2>
<p>Maintenant que toutes les briques nécessaires sont réunies, on peut enfin formuler notre problème inverse comme ceci : pour des bandes d’énergie données, peut-on identifier le potentiel atomique, et donc, à terme, le matériau optimal, qui permet d’atteindre ces bandes cibles ? Le schéma général de la démarche est présenté ci-dessous.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/321622/original/file-20200319-22594-bafr14.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Schéma de la procédure de recherche.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Une fois que les équations du modèle sont établies, ajustées et discutées avec les physiciens et les chimistes, l’étape la plus excitante pour un mathématicien consiste à les interroger pour leur faire avouer tous leurs secrets. Il s’agit d’abord de vérifier que le problème est bien posé et qu’il admet donc bien une solution qui dépend des paramètres de manière raisonnable. En pratique, ce n’est jamais aussi simple. Par exemple, notre problème inverse nécessite l’appel à d’étonnants <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Radon_measure">espaces mathématiques abstraits</a> pour pouvoir être résolu. Il s’agit ensuite de décrire les solutions et leurs propriétés : <a href="https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01789637">sont-elles continues, dérivables, singulières</a> ?</p>
<p>Ensuite, on fait appel à la puissance des ordinateurs pour visualiser, analyser et interpréter les solutions optimales trouvées (c’est-à-dire les potentiels atomiques correspondant aux bandes d’énergie cibles) à la lumière des connaissances des physiciens. On commence par formuler notre problème inverse comme un problème d’optimisation qui consiste à partir d’une solution quelconque (potentiellement fausse) et de l’améliorer petit à petit pour se rapprocher de la solution optimale. Ceci se fait en pratique par une méthode appelée <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Algorithme_du_gradient">« descente de gradient »</a> qu’on peut apparenter à un skieur qui part du haut de la piste (solution rejetée) et qui slalome le long de la pente pour s’immobiliser finalement en bas de la piste (solution acceptée).</p>
<p>Le travail de l’ingénieur en science des matériaux peut alors commencer, puisque désormais il dispose d’un code de simulation qui lui donne la forme optimale du potentiel atomique correspondant à chaque profil énergétique cible. L’étape suivante sera alors d’exploiter ce potentiel atomique optimal (qui à ce stade n’est rien d’autre qu’une courbe mathématique) pour identifier, parmi tous les matériaux connus sur terre, la combinaison optimale de matériaux qui permet de réaliser le résultat prédit par le modèle. Mais, c’est encore une tout autre histoire, numérique elle aussi, pour venir en appui aux essais expérimentaux.</p>
<h2>La prochaine étape</h2>
<p>Loin de prétendre révolutionner la technologie de l’énergie photovoltaïque des cellules à couches minces, notre étude a surtout un impact méthodologique en montrant que l’optimisation du rendement des cellules photovoltaïques peut s’appréhender par une approche simulation-optimisation (numérique) qui permet d’explorer différentes configurations en peu de temps et à moindre coût, comparée à une approche essai-erreur (matérielle) classique. Désormais, nous œuvrons à améliorer le modèle pour mieux représenter la structure tridimensionnelle des potentiels atomiques. Nous espérons ainsi offrir la possibilité d’explorer certaines combinaisons de matériaux qui n’ont jamais été imaginées par les ingénieurs mais que l’algorithme identifiera comme étant optimales.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/133535/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Athmane Bakhta ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>
Développer de nouvelles technologies de l’énergie implique la collaboration entre différentes disciplines scientifiques. Quel est le rôle des maths ?
Athmane Bakhta, Ingénieur - chercheur en mathématiques appliquées, Sorbonne Université
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