Étonnants Matériaux : une plongée dans les matériaux de demain
Édité par CNRS Éditions, le livre « Étonnants Matériaux » est une porte ouverte sur les laboratoires français, et notamment aquitains, qui explorent, dessinent et réinventent la matière.
Imaginer les matériaux du futur est l’un des défis que le CNRS s’est donné pour les prochaines années, afin de répondre aux enjeux des grandes transitions de notre temps. De nombreuses disciplines se rencontrent pour concevoir des matériaux plus sobres, résistants, recyclables ou bioinspirés et éclairer leurs usages, leurs impacts et les choix qu’ils engagent.
En ce moment même, des laboratoires français, parmi les meilleurs au monde, imaginent et dessinent ces matériaux d’aujourd’hui et de demain, parfois en s’inspirant de l’observation de la nature, parfois en s’appuyant sur des connaissances acquises au fil des siècles, toujours avec l’ambition de répondre aux défis de la société.
À travers une soixantaine d’articles courts et abondamment illustrés, des chercheuses et chercheurs en chimie, physique et ingénierie racontent comment ils explorent, transforment et réinventent la matière.
L’ouvrage Étonnants matériaux vous plonge ainsi au cœur de métaux ultralégers, de plastiques biodégradables ou autoréparants, dans le monde du nano et à la découverte des instruments de pointe qui permettent d’y naviguer.
Ce livre, accessible à tout amateur et à toute amatrices de découvertes, invite aussi à explorer les coulisses de la recherche en science des matériaux, à la croisée de l’innovation, des défis environnementaux et des usages de demain.
Onze scientifiques du territoire aquitain qui ont partagé leur expertise et contribué à la rédaction de cet ouvrage. Ils sont à retrouver dans les chapitres suivants :
Tenaces comme du bois et résistants à plus de 1 000 °C
Avec Gérard Louis Vignoles, professeur des universités à l’université de Bordeaux au Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS)
Renforcer un matériau fragile par des fibres tout aussi fragiles pour obtenir un matériau ultra résistant : c’est l’étonnant paradoxe des composites à matrice céramique. Leur secret repose sur leur architecture interne et, en particulier, la fine interphase entre fibres et matrice qui empêche les fissures de se propager brutalement. Capables de supporter des températures extrêmes, ils équipent déjà moteurs d’avions, engins spatiaux ou systèmes de freinage. Ils pourraient demain trouver de nouvelles applications dans l’énergie et le nucléaire, à condition de rendre leur fabrication moins coûteuse et plus facile à maîtriser.
Alliages à haute entropie
Avec Stéphane Gorsse, maître de conférences à Bordeaux INP à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB)
Les alliages à haute entropie bouleversent les recettes classiques de la métallurgie en mélangeant plusieurs éléments en proportions comparables, au lieu de partir d’un métal majoritaire. Ce vaste espace de compositions fait émerger des combinaisons inédites de résistance, ductilité et stabilité, jusque dans des conditions de température extrêmes. Expérimentation combinatoire, modélisation et intelligence artificielle sont mobilisées pour explorer ce « continent » chimique encore largement inconnu et transformer des promesses en matériaux réellement utilisables.
La révolution des aimants moléculaires ?
Avec Rodolphe Clérac, directeur de recherche au CNRS au Centre de recherche Paul Pascal (CRPP)
Moteurs électriques, éoliennes, smartphones : les aimants sont indispensables à nos technologies. Les plus performants utilisent des métaux comme les terres rares, dont l’extraction et l’approvisionnement posent problème. Et si l’on pouvait fabriquer des aimants autrement, en assemblant des molécules ? Longtemps restés des curiosités de laboratoire, les aimants moléculaires, légers et modulables, commencent à rivaliser avec leurs cousins métalliques. Une autre façon de penser l’aimant est peut-être en train de naître pour créer des matériaux multifonctionnels et des dispositifs miniaturisés aux comportements réglables.
Le futur des batteries se trouve peut-être dans votre cuisine !
Avec Laurence Croguennec, directrice de recherche au CNRS à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB)
Pas question de verser du sel de cuisine dans nos batteries, mais bien du sodium, l’un de ses constituants. Abondant et peu coûteux, il pourrait offrir une alternative durable au lithium, à condition de concevoir des matériaux capables d’atteindre des performances comparables à celles des batteries Li-ion. Cathodes innovantes, recharge rapides, électrolytes solides ou hybrides : la science des matériaux explore plusieurs pistes pour fabriquer des batteries performantes plus sûres et plus durables.
Les nouveaux matériaux pour capter l’énergie solaire
avec Sylvain Chambon, directeur de recherche au CNRS au laboratoire de l’Intégration du matériau au système (IMS), et Guillaume Wantz, maître de conférences à Bordeaux INP au laboratoire de l’Intégration du matériau au système (IMS)
Le silicium domine aujourd’hui le photovoltaïque, mais de nouveaux matériaux ouvrent la voie à des cellules solaires plus légères, plus souples et moins énergivores à fabriquer. Les pérovskites halogénées combinent une forte absorption de la lumière et des rendements désormais comparables à ceux du silicium ; associées à celui-ci dans des cellules tandem, elles permettent même d’atteindre des performances supérieures. Les matériaux organiques peuvent quant à eux être transformés en encres et imprimés sous forme de films ultrafins sur des textiles, des objets connectés ou des surfaces courbes et déformables. Leur industrialisation exige encore d’améliorer leur stabilité, leur durabilité et leur fabrication à grande échelle.
Bien plus qu’un liant
Avec Cyril Aymonier, directeur de recherche au CNRS à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB)
Longtemps cantonné au rôle de « colle » minérale qui donne sa résistance au béton, le ciment révèle, à l’échelle nanométrique, un potentiel beaucoup plus surprenant. En jouant sur sa composition et sa
structure, les chercheurs développent des matériaux capables de piéger du CO₂, de réfléchir la lumière du soleil pour rafraîchir les bâtiments, mais aussi de conduire et stocker l’électricité. Des murs aux fondations, le ciment devient ainsi un matériau fonctionnel, capable de participer à la gestion de l’énergie. De quoi regarder d’un autre oeil cette banale poudre grise.
Du nano au macro, nos vitrages sont des millefeuilles !
Avec Aline Rougier, directrice de recherche au CNRS à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB)
Les vitrages modernes sont bien plus que de simples plaques de verre transparentes : de très fines couches déposées à leur surface permettent de contrôler les échanges de lumière et de chaleur. La superposition, à l’échelle nanométrique, de couches métalliques et de couches d’oxydes permet ainsi de produire des vitrages isolants, réfléchissants ou électrochromes, dont la transmission lumineuse peut varier. L’enjeu est désormais d’améliorer leurs performances tout en réduisant l’énergie et les ressources nécessaires à leur fabrication.
Quand la matière s’autoorganise : du bitume aux nanotechnologies
Avec Guillaume Fleury, professeur des universités à l’université de Bordeaux au Laboratoire de chimie des polymères organiques (LCPO)
Quel rapport entre le bitume d’une autoroute et les futurs circuits électroniques ? Les deux contiennent des copolymères à blocs, macromolécules capables de s’assembler spontanément à l’échelle de quelques nanomètres. Sphères, cylindres, lamelles ou réseaux complexes : en jouant sur la composition de ces chaînes de polymères, les scientifiques guident la matière molle pour obtenir des structures « à la carte ». De la route aux nanotechnologies, l’autoorganisation des copolymères se révèle comme un remarquable outil pour structurer la matière à des échelles toujours plus petites.
De la matière molle aux métamatériaux optiquement actifs
Avec Alexandre Baron, maître de conférences à l’université de Bordeaux au Centre de recherche Paul Pascal (CRPP)
Fabriquer des matériaux aux propriétés inédites : c’est toute la promesse des métamatériaux. Pour cela, les chimistes fabriquent sur mesure puis assemblent par milliards des «méta-atomes», minuscules particules de matière conçues pour interagir de façon inhabituelle avec la lumière et tout autre type d’onde. La chimie colloïdale rend désormais ce pari envisageable à grande échelle. Manipuler la lumière, absorber certains rayonnements, créer des lentilles ultrafines ou refroidir un bâtiment en plein soleil sans apport d’énergie : la matière faite de ces méta-atomes acquiert des comportements que ses constituants seuls ne laissaient pas présager.
Analyse du cycle de vie et écoconception pour des matériaux plus durables
Avec Guido Sonnemann, professeur des universités à l’université de Bordeaux à l’Institut des sciences moléculaires (ISM)
Concevoir un matériau ne consiste plus seulement à optimiser ses propriétés en jouant sur sa composition et son procédés de fabrication. L’innovation vers des matériaux réellement plus durables se doit également d’anticiper leur impact tout au long de leur existence, de l’extraction des ressources à la fin de vie, et d’intégrer ces impacts dès les premiers choix : c’est tout l’enjeu de l’écoconception. L’analyse du cycle de vie permet de chiffrer ces impacts et concilier performances, ressources, énergie, toxicité, durée de vie et recyclabilité sans déplacer le problème d’une étape de la vie d’un matériau à une autre.
Les défis des matériaux au cœur de la transition énergétique
Avec Cyril Aymonier, directeur de recherche au CNRS à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB)
L’éolien est un cas d’école des défis matériels de la transition énergétique. Derrière l’apparente simplicité de cette source d’énergie renouvelable se cachent notamment des aimants riches en terres rares et des pales composites conçues pour résister des décennies… mais redoutables à recycler. Rendre l’éolien vraiment durable impose de repenser ses matériaux jusque dans leur fin de vie en favorisant la récupération des métaux stratégiques, la séparation des fibres et résines ou la conception de composites biosourcés et recyclables. Autant de défis auxquels s’attèle la science des matériaux.