Des chercheurs de l’Université McGill mettent au point une méthode permettant de prédire les propriétés magnétiques de nouveaux matériaux avant même leur fabrication. Cette méthode pourrait aider les scientifiques à concevoir de nouveaux aimants à faible coût pour des éoliennes et des véhicules électriques plus efficaces.
Les aimants permanents ne servent pas uniquement à fixer des photos sur le réfrigérateur. À bien des égards, ils ont contribué à façonner le monde moderne tel qu’il est aujourd’hui. Par exemple, ces matériaux sont des composants clés des moteurs électriques et de la production d’électricité depuis les années 1800. Les moteurs utilisant des aimants permanents sont également présents dans de nombreux appareils modernes, y compris les disques durs d’ordinateurs.
Les électro-aimants, qui peuvent être fabriqués à partir de divers métaux courants, sont généralement plus abordables que les aimants permanents lorsque des champs magnétiques puissants sont nécessaires et, contrairement aux aimants permanents, ils peuvent être activés et désactivés. Cependant, les électro-aimants ont besoin d’électricité pour créer un champ magnétique, alors que les aimants permanents n’ont besoin d’aucune énergie auxiliaire. Ainsi, pour les applications qui nécessitent un champ magnétique continu, le remplacement des électro-aimants par des aimants permanents permet d’économiser de l’énergie. C’est pourquoi les développeurs de technologies d’énergie propre se tournent vers les aimants permanents.
En effet, les éoliennes commencent à utiliser des aimants permanents au lieu d’électro-aimants, car ces derniers consomment une partie de l’électricité produite par l’éolienne. Les aimants permanents ont l’avantage supplémentaire d’accroître l’efficacité et de réduire les coûts d’installation en diminuant le poids des composants générateurs d’électricité. Dans l’industrie automobile, les nouveaux véhicules électriques grand public tels que la Nissan LEAF utilisent des aimants permanents pour réaliser des économies d’énergie d’environ 20 %.
Les aimants permanents représentent un marché de 7 milliards de dollars par an, et le secteur devrait connaître une croissance à deux chiffres au cours des 25 prochaines années en raison de la demande croissante de technologies propres. Toutefois, ce marché est actuellement dominé par les aimants fabriqués à partir de minéraux de terres rares, qui sont extrêmement rares et quelque peu problématiques.
Par exemple, l’approvisionnement mondial en terres rares est contrôlé par un seul pays, de sorte que le risque d’augmentation des prix pourrait très bien compenser les avantages en termes de coûts.L’extraction et le traitement des terres rares sont également préjudiciables à l’environnement ; le simple fait d’amener ces minéraux sur le marché produit une quantité disproportionnée de gaz à effet de serre, réduisant ainsi le bénéfice environnemental net des éoliennes et des véhicules électriques qui les utilisent.
C’est pourquoi le monde cherche aujourd’hui à trouver de nouveaux aimants permanents qui présentent non seulement des propriétés magnétiques comparables à celles des terres rares, mais qui peuvent également être produits à moindre coût et dans le respect de l’environnement. Ce n’est pas chose aisée, car il existe des milliers de combinaisons d’éléments susceptibles de donner naissance à des matériaux magnétiques qui n’ont jamais été produits auparavant. Il n’est tout simplement pas pratique de fabriquer systématiquement chacun d’entre eux et de tester leurs propriétés magnétiques intrinsèques, y compris leur force magnétique maximale et la température à partir de laquelle leur magnétisme disparaît.
Les professeurs Zaven Altounian et Dominic Ryan de l’Université McGill à Montréal sont deux chercheurs qui accélèrent méthodiquement le développement de nouveaux matériaux magnétiques. Plus précisément, le professeur Altounian développe un modèle théorique permettant de prédire les propriétés magnétiques des nombreuses combinaisons, ce qui réduira considérablement le nombre de composés devant être fabriqués et étudiés en laboratoire. Parallèlement, le professeur Ryan effectue des analyses expérimentales sur divers matériaux magnétiques afin de vérifier l’exactitude du modèle d’Altounian.
« L’impact de cette recherche réside dans sa capacité à suggérer une voie à suivre pour les chercheurs qui cherchent à concevoir de nouveaux matériaux magnétiques […] accélérant ainsi le développement d’aimants permanents pour une multitude d’applications dans le domaine des énergies propres. »
Leur méthode repose sur des modèles connus de disposition des atomes (c’est-à-dire la structure atomique) et d’alignement des champs magnétiques (c’est-à-dire la structure magnétique) pour les matériaux existants. Elle calcule ensuite comment ces structures changent lorsqu’un élément est remplacé par un autre en quantités variables, un processus connu sous le nom de dopage. Une fois les nouvelles structures déterminées théoriquement, leurs propriétés magnétiques peuvent être calculées.
Dans une publication de 2014, le professeur Altounian et son associé de recherche Xubo Liu ont démontré la précision du modèle pour prédire les changements structurels résultant de la substitution d’éléments dans un composé de terres rares connu. Dans ce cas, ils ont commencé par un composé similaire au Nd2Fe14B, l'aimant de terre rare le plus puissant au monde (et que l’on trouve dans de nombreux disques durs). En utilisant des faisceaux de neutrons au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN), Altounian et Liu ont pu vérifier expérimentalement les structures prédites pour 11 matériaux, chacun avec un troisième élément différent du bore (B).
Altounian et Ryan appliquent maintenant cette méthode pour prédire les propriétés d’aimants ne provenant pas de terres rares, à savoir des composés de manganèse-gallium dopés. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que des portions égales de manganèse (Mn) et de gallium (Ga) pourraient produire un aimant aux propriétés comparables à celles du Nd2Fe14B, même à une température de 150 °C à 200 °C, la température de fonctionnement des moteurs des véhicules électriques et des turbines éoliennes. Cependant, ce matériau s’est avéré difficile à fabriquer et n’a pas été très étudié jusqu’à présent.
« Les difficultés rencontrées avec les alliages manganèse-gallium ont été aggravées par le désir de produire des échantillons rapidement, avant de prendre le temps de comprendre leurs propriétés de base », observe le professeur Ryan. « Il est essentiel de commencer par établir les propriétés intrinsèques de ces alliages dans leurs formes les plus simples, car ces propriétés fixeront en fin de compte les limites du potentiel résultat obtenu en les modifiant ultérieurement. »
En utilisant des faisceaux de neutrons au CCFN, Ryan et Altounian ont mené des études approfondies sur les alliages de manganèse et de gallium au cours des dernières années. La diffraction des neutrons a notamment confirmé qu’ils avaient effectivement réussi à préparer le matériau dans sa forme la plus simple. Ces études ont donné lieu à de nombreuses publications, dont un article de 2015 sur les propriétés magnétiques intrinsèques de plusieurs alliages de manganèse et de gallium dopés avec des quantités variables de manganèse supplémentaire. Curieusement, ils ont constaté que ces alliages devenaient moins magnétiques à mesure que l’on y ajoutait du manganèse. Néanmoins, ils ont pu identifier un alliage en particulier (Mn1.33Ga) qui présentait d’excellentes propriétés magnétiques intrinsèques, bien qu’une certaine incertitude subsistait quant à sa structure.
Les chercheurs ont répondu à bon nombre de ces questions dans un article publié en 2016, dans lequel ils expliquent non seulement pourquoi l’ajout de manganèse réduit l’aimantation de ces alliages manganèse-gallium, mais identifient également l’emplacement du manganèse supplémentaire dans la structure atomique. Dans une recherche qui sera bientôt publiée, ils sont allés plus loin et ont résolu entièrement les structures atomiques de ces alliages, ce qui les a aidés à résoudre les structures magnétiques. Il est important de noter que leurs observations sont en parfait accord avec les prédictions théoriques d’Altounian.
Le modèle ayant été validé à l’aide de neutrons, Altounian et Ryan ont récemment appliqué leur approche pour prédire la dépendance directionnelle des propriétés magnétiques du Mn1.33Ga, et ont testé leurs prédictions à l’aide de diverses autres techniques expérimentales. Cette recherche, dont la publication est également imminente, a démontré la capacité du modèle à prédire les propriétés magnétiques intrinsèques qu’un composé devrait posséder pour être utilisé dans des applications pratiques.
L’impact de cette recherche réside dans sa capacité à suggérer une voie à suivre pour les chercheurs qui cherchent à concevoir de nouveaux matériaux magnétiques. Par exemple, le modèle d’Altounian pourrait être utilisé pour rechercher un troisième élément à utiliser comme dopant pour les alliages manganèse-gallium (au lieu d’utiliser du manganèse supplémentaire). Ce nouveau dopant devrait remplacer une partie du gallium des alliages, comme l’a fait le manganèse ajouté dans les expériences d’Altounian et Ryan, sans réduire l’aimantation globale. De nouveaux alliages basés sur le dopant identifié pourraient alors être synthétisés, accélérant ainsi le développement d’aimants permanents pour une multitude d’applications dans le domaine de l’énergie propre.
Les articles mentionnés ici comme étant « en cours de publication » sont désormais disponibles :
DOI:10.1038/s41598-017-00579-w
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
