Les cristaux génèrent de l'électricité à partir de la chaleur

Pour transformer la chaleur en électricité, des matériaux facilement accessibles à partir de matières premières inoffensives ouvrent de nouvelles perspectives dans le développement de matériaux dits thermoélectriques sûrs et peu coûteux. Selon une étude publiée dans la revue Angewandte Chemie, un minéral synthétique de cuivre acquiert une structure et une microstructure complexes par de simples modifications de sa composition, jetant ainsi les bases des propriétés souhaitées.

Le nouveau matériau synthétique est composé de cuivre, de manganèse, de germanium et de soufre, et il est produit selon un processus assez simple, explique le spécialiste des matériaux Emmanuel Guilmeau, chercheur CNRS au laboratoire CRISMAT, à Caen (France), qui est l'auteur correspondant de l'étude. "Les poudres sont simplement alliées mécaniquement par broyage à billes pour former une phase précristallisée, qui est ensuite densifiée à 600 degrés Celsius. Ce processus peut être facilement mis à l'échelle", précise-t-il.

Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité. C'est particulièrement utile dans les processus industriels où la chaleur perdue est réutilisée comme une précieuse énergie électrique. L'approche inverse consiste à refroidir les composants électroniques, par exemple dans les smartphones ou les voitures. Les matériaux utilisés dans ce type d'applications doivent être non seulement efficaces, mais aussi peu coûteux et, surtout, sans danger pour la santé.

Or, les dispositifs thermoélectriques utilisés à ce jour font appel à des éléments coûteux et toxiques tels que le plomb et le tellure, qui offrent le meilleur rendement de conversion. Pour trouver des alternatives plus sûres, Emmanuel Guilmeau et son équipe se sont tournés vers des dérivés de minéraux sulfurés naturels à base de cuivre. Ces dérivés minéraux sont principalement composés d'éléments non toxiques et abondants, et certains d'entre eux ont des propriétés thermoélectriques.

Aujourd'hui, l'équipe a réussi à produire une série de matériaux thermoélectriques présentant deux structures cristallines au sein d'un même matériau. "Nous avons été très surpris par le résultat. Habituellement, une légère modification de la composition a peu d'effet sur la structure de cette classe de matériaux", explique Emmanuel Guilmeau en décrivant leur découverte.

L'équipe a constaté que le remplacement d'une petite fraction du manganèse par du cuivre produisait des microstructures complexes avec des nanodomaines interconnectés, des défauts et des interfaces cohérentes, qui affectaient les propriétés de transport des électrons et de la chaleur du matériau.

Emmanuel Guilmeau affirme que le nouveau matériau produit est stable jusqu'à 400 degrés Celsius, une plage qui se situe bien dans la fourchette de température de la chaleur résiduelle de la plupart des industries. Il est convaincu que, sur la base de cette découverte, de nouveaux matériaux thermoélectriques moins chers et non toxiques pourraient être conçus pour remplacer les matériaux plus problématiques.