À travers l'Histoire, les matériaux et les avancées dans la technologie des matériaux ont influencé l'humanité. Nous sommes aujourd'hui à l'orée d'un nouveau développement dans ce type de technologie qui rendra possibles des produits et des fonctionnalités que nous n'aurions pas cru possibles auparavant.
L'industrie a besoin de matériaux plus légers, plus tenaces, plus minces, plus denses, plus flexibles ou rigides, et plus résistants à la chaleur et à l'usure. Par ailleurs, les chercheurs repoussent les frontières du possible en essayant d'améliorer des matériaux existants aussi bien qu'en inventant de nouveaux matériaux qui, même s'ils ne trouvent pas encore d'applications dans notre quotidien, nous mènent dans de nouvelles directions technologiques.
Les limites sont repoussées
Avec les recherches actuelles, le champ de la science appliquée des matériaux s'étend dans de nouvelles directions qui font presque figure de science-fiction. La menace de la raréfaction des ressources appelle des innovations et une nouvelle pensée. Dans le domaine des matériaux, les composites dotés de propriétés supérieures telles qu'un faible poids, une résistance élevée et une longue durée de vie semblent gagner des parts de marché et être de plus en plus basés sur des ressources renouvelables au fur et à mesure que leur utilisation se développe. La percée la plus prometteuse est celle du graphène.
Le graphène ne fait qu'un atome d'épaisseur (il est 1 million de fois plus mince qu'un cheveu humain) mais il est 200 fois plus résistant que l'acier à poids égal, il est très flexible, très léger et presque transparent ; c'est aussi un excellent conducteur thermique et électrique. C'est l'étoffe des légendes.
Des chercheurs de l'université de Nankai à Tianjin en Chine ont récemment découvert qu'une éponge de graphène peut transformer la lumière en énergie, ce qui nous fait espérer disposer un jour d'engins spatiaux qui n'auront plus besoin de carburant, la lumière du soleil suffisant à les propulser.
En route vers la révolution du graphène
Le graphène a été découvert presque par accident par les professeurs Andre Geim et Kostya Novoselov de l'université de Manchester en Angleterre lors d'expériences avec des crayons de papier et du scotch en 2004. En 2010, Geim et Novoselov ont reçu le Prix Nobel de physique pour leurs recherches sur le graphène et l'Union Européenne a débloqué un budget d'un milliard d'euros pour financer le projet de recherche baptisé Graphene Flagship qui vise à accélérer le développement d'applications commerciales basées sur le graphène. Les domaines d'application potentiels sont très variés et peuvent concerner la purification de l'eau aussi bien que le stockage de l'énergie, les ustensiles ménagers, les ordinateurs et l'électronique. Les dépôts de brevets en lien avec le graphène se comptent par milliers, mais l'utilisation du graphène à l'échelle industrielle est limitée par son coût de production, or cela pourrait changer bientôt. Des chercheurs de l'université de Glasgow ont trouvé un moyen de produire de grandes feuilles de graphène à un coût 100 fois inférieur à la méthode de fabrication en vigueur.
La fabrication de peau synthétique capable de transmettre des informations sensorielles aux porteurs de prothèses de membres est l'une des nombreuses possibilités potentiellement offertes par ce développement. « Le graphène pourrait servir à fabriquer des surfaces extrêmement flexibles capables de transmettre des sensations aux porteurs de prothèses, ce qui était impossible même avec les prothèses les plus avancées jusqu'à ce jour », indique le Dr. Ravinder Dahiya qui dirige l'équipe de recherche de l'université de Glasgow.
Vers la fin des métaux ?
Les métaux dominent l'industrie et ont été déterminants dans l'histoire de l'humanité. Leur longue utilisation a permis de créer une connaissance et une expertise poussées, mais les scientifiques continuent à repousser les limites de ces matériaux. Les nano matériaux sont à la proue de ces recherches ; ils améliorent les propriétés des métaux et ouvrent de nouveaux champs d'application. Le développement de nano composites à matrice métallique – des matériaux qui incorporent des nano tubes ou des nano particules de carbone – pourrait être à l'origine d'une nouvelle ère technologique en termes de poids, de résistance et de rigidité pour l'industrie aéronautique.
Des matériaux auto-réparateurs
Les recherches sur les nano composites laissent entrevoir la possibilité de fabriquer des matériaux capables de se réparer tout seuls de la même manière que le corps humain. Les chercheurs du groupe Autonomous Materials Systems de l'Institut Beckman de l'université de l'Illinois aux États-Unis travaillent au développement de matériaux composites à base de fibres dotés de propriétés auto réparatrices grâce à l'intégration d'agents réparateurs qui se libèrent et se polymérisent lorsqu'un défaut est détecté.
« Les matériaux auto réparateurs sont une réalité », affirme le scientifique spécialiste des matériaux Mark Miodownik. Ce qui est aujourd'hui possible sur le plan technique n'est pas encore près d'être réalisable du point de vue économique, mais la possibilité de réparer les choses pendant leur utilisation, qu'il s'agisse d'ailes d'avions, de cadres de vélos ou de pièces de voitures essentielles à la sécurité, existe bel et bien. Et cela aura un impact considérable sur le développement des produits, sur leur cycle de vie et sur le développement durable. Les chercheurs étudient même des matériaux pour les revêtements routiers qui pourront s'auto réparer sans l'intervention d'équipes de travaux.
Mieux que la Nature
Pendant des milliers d'années, la science des matériaux a progressé grâce à la découverte accidentelle d'éléments naturels. Aujourd'hui, les chercheurs vont plus loin que ce que l'on trouve dans la nature et combinent des matériaux conventionnels, ou des parties de tels matériaux, en manipulant leur structure interne pour créer des propriétés qui n'existent pas à l'état naturel – ou que nous n'avons pas encore découvertes à l'état naturel.
Parmi ces développements on trouve des surfaces formées de ridules ressemblant à la peau de requin. Cette micro structure, baptisée Sharklet, permet d'empêcher l'implantation et la transmission de bactéries ; elle est développée en vue d'une utilisation médicale, notamment dans les hôpitaux.
D'autres développements cherchent à atteindre l'invisibilité. Des physiciens de plusieurs pays travaillent sur des méta matériaux qui pourraient rendre des objets invisibles en distordant les rayons électromagnétiques, notamment la lumière, afin qu'ils contournent ces objets et donnent l'illusion qu'ils ne sont pas là.
Le développement durable est l'enjeu
La science des matériaux, le développement de nouveaux matériaux et l'amélioration des matériaux existants semblent devoir jouer un rôle crucial face à des problématiques comme la raréfaction des ressources et le développement durable. De nouveaux matériaux comme, par exemple, des matériaux de construction qui absorbent la lumière, pourraient contribuer à réduire le réchauffement global.
Il semble que nous soyons à l'aube d'un nouvel âge caractérisé non seulement par le numérique et l'Internet des Objets mais aussi, et surtout, par les nouveaux matériaux qui rendront notre avenir plus facile, plus sûr et plus durable. Les limites sont bel et bien repoussées.
