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Selon une équipe de recherche du MIT, le goudron, ce matériau quotidien qui scelle les joints de nos toits et de nos rues, présente une complexité inattendue et méconnue : il pourrait un jour être utile comme matière première pour toute une série de dispositifs de haute technologie, notamment les systèmes de stockage de l’énergie, les revêtements thermiquement actifs et les capteurs électroniques.

Le goudron un matériau aux multiples facettes

Et ce n’est pas seulement du goudron. Le professeur Jeffrey Grossman a également une vision très différente des autres combustibles fossiles. Plutôt que d’utiliser ces matériaux comme des marchandises bon marché à brûler, à colmater les fissures ou à éliminer, il voit un potentiel pour une grande variété d’applications qui tirent profit de la chimie très complexe de ces anciens mélanges de composés de carbone issus de la biomasse.
Un avantage important de ces applications est qu’elles permettent de réutiliser des matériaux qui, autrement, seraient brûlés, augmenteraient les émissions de gaz à effet de serre ou seraient mis à la décharge. Ces utilisations pourraient mener à une « écologisation » du charbon et d’autres matériaux à base de carbone, autrement nuisibles au climat, explique M. Grossman.
Dans leurs dernières recherches, des scientifiques ont trouvé des moyens d’utiliser le charbon, le goudron et le brai pour produire des couches minces dont la conductivité électrique, la porosité et d’autres propriétés sont hautement contrôlables et reproductibles. À l’aide d’un laser, ils ont pu fabriquer des prototypes de dispositifs à partir de matériaux peu coûteux et omniprésents, notamment un supercondensateur pour stocker l’électricité, une jauge de contrainte flexible et un radiateur transparent.

Un procédé appelé recuit au laser

Pour exploiter les propriétés de ces matériaux, l’équipe a utilisé un procédé appelé recuit au laser pour créer des couches ultraminces de matériaux carbonés, déposées sur un substrat. Elle a produit des dispositifs fonctionnels spécifiques en déposant et en gravant des motifs dans des couches faites de différents matériaux à base de carbone.
Dans ce travail, les divers types de complexes d’hydrocarbures lourds ont été utilisés tels quels, en utilisant la grande variété des propriétés que l’on trouve dans ces différents matériaux – le charbon, le goudron de vapocraquage du pétrole et le brai en mésophase, dont la plupart sont soit des sous-produits qui doivent généralement être éliminés, soit des combustibles qui sont rapidement éliminés.
En sélectionnant la matière première adéquate et en faisant varier le moment et la force des impulsions laser utilisées pour recuire un matériau, l’équipe a pu contrôler toute une série de propriétés physiques, optiques, électriques, magnétiques et autres. « Nous pouvons alors créer tout, du graphène à une sorte de polymères riches en aromatiques », dit M. Ferralis, « et avec des propriétés qui pourraient changer considérablement, allant d’isolants thermiques et électriques à des conducteurs thermiques et électriques ».
« Nous avons débuté avec des matières premières très hétérogène et désordonnée », dit Grossman, « mais elles sont si bon marché et si riche en chimie utile ». L’idée est de le comprendre suffisamment bien pour pouvoir « appliquer des outils de fabrication simples et évolutifs afin que nous puissions profiter de cette compréhension pour lui faire faire quelque chose de différent pour nous ».
En bref, nous découvrons des matériaux qui étaient auparavant considérés comme limités dans leur utilisation (comme simple combustible à brûler, par exemple), et en comprenant leurs structures atomiques, nous sommes en mesure d’appliquer les principes de conception et d’ingénierie des matériaux pour les rendre utiles de manière plus large », explique Grossman.

Donner un coup de pouce économique aux régions productrices de charbon

Bien que ce travail se soit concentré sur des films minces, ces matières premières sont si peu coûteuses qu’en fin de compte, ils pourraient également être utilisés pour des applications en vrac, explique M. Ferralis, un des chercheurs qui a travaillé sur ce projet. « Si nous pouvons étendre ce processus à des systèmes en vrac, cela pourrait être utilisé dans des matériaux de construction ou dans l’isolation des maisons. Des produits qui nécessitent en fait une grande quantité de matériaux ».
« Il pourrait même donner un coup de pouce économique aux régions productrices de charbon qui souffrent actuellement de l’effondrement de l’industrie des centrales électriques au charbon pour qu’elles deviennent productrices de toute une nouvelle famille de produits à plus forte valeur », suggère-t-il.
Cette recherche a été publié dans Science Advances.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay