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18 sept. 2019  Düsseldorf / Allemagne

Cet article a initialement été publié sur guardian.com dans le cadre d’une série sur l’innovation réalisé en partenariat avec Henkel

Actualité de la R&D : de la colle pour avions aux vêtements qui se réparent eux-mêmes

A locomotive on tracks seen from the front

Par Duncan Jefferies

Une myriade d’innovations rendant les objets de notre quotidien plus efficients et plus durables voit le jour derrières les portes closes des laboratoires. Les quatre innovations présentées dans cet article ont des applications d’une portée considérable.

La lance d'un homme de Neandertal était composée de deux parties : un silex pour la pointe et un bâton pour le manche. Ces deux pièces étaient attachées par du goudron issu de l’écorce de bouleau, probablement extrait en plaçant un rouleau d’écorce sur un simple feu. En d’autres termes, la première colle du monde a été inventée il y a de cela environ 200 000 ans.

Une découverte qui a entrainé la création d’autres outils tels que des houes et des haches, qui ont façonné le développement des sociétés humaines primitives. Une poignée de millénaires plus tard, les adhésifs, les fibres auto-cicatrisantes, le graphène et d’autres matériaux innovants nous permettent de réaliser des prouesses impensables pour nos ancêtres. Que se passe-t-il donc dans ces laboratoires de recherche et développement ?

Adhésifs

En 2017, une équipe de scientifiques et d’ingénieurs de l’entreprise de biens de consommation et de produits industriels Henkel a prouvé que trois grammes d’adhésifs pouvaient suffire à tirer efficacement un train de marchandises de 208 tonnes. Le Loctite HY 4070 – un adhésif hybride combinant plusieurs technologies pour assurer une liaison plus puissante, plus durable, et à polymérisation plus rapide – a été utilisé pour fusionner ensemble deux locomotives. Inutile de le dire, c’est pleine d’appréhension que l’équipe en charge de cette démonstration a regardé le départ du train. Et de manière tout à fait incroyable, l’adhésif a tenu.

L’expérience a prouvé que les adhésifs hybrides sont non seulement résistants, mais qu’ils peuvent aussi supporter des chocs, frictions et vibrations considérables. Des propriétés qui les rendent parfaitement adaptés aux secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale, où les joints classiques et d'étanchéités doivent être extrêmement durables. Le fait que les adhésifs Loctite puissent remplacer le soudage en font également des outils importants pour les fabricants cherchant à alléger leurs voitures et leurs avions en remplaçant par exemple les lourds matériaux par de la fibre de carbone, du plastique et de l’aluminium. Ces alternatives permettent de réduire la consommation de carburant et améliorent ainsi l’autonomie des véhicules électriques.

« Si vous essayez de souder des fibres de carbone, vous n’irez pas bien loin, » déclare M. Kourosh Bahrami, Corporate Vice President Adhesive Technologies chez Henkel. « Il n’est pas non plus possible de souder de l’aluminium avec de l’acier. Et c’est justement là que les adhésifs entrent en jeu, car ils permettent de lier des substrats différents. Un avantage non seulement pour la fabrication de produits industriels, mais aussi pour la maintenance et la réparation. »

Les adhésifs rendent également les smartphones plus surs à l’utilisation. « Les adhésifs habituellement utilisés pour les smartphones ont des fonctionnalités qui dépassent le simple collage. De nombreuses solutions ont par exemple des propriétés thermiques qui isolent la batterie ou protège l’appareil contre les surchauffes » précise M. Bahrami.

Les adhésifs jouent aussi un rôle essentiel pour les écrans tactiles et les capteurs d’empreintes digitales ainsi que pour les circuits imprimés et autres composants électroniques. On les retrouve dans les réseaux de capteurs qui permettent aux voitures autonomes de voir ce qui se passe autour d’elles. Et les adhésifs conducteurs d'électricité de Henkel aident également les ingénieurs à créer des cellules photovoltaïques plus efficientes et plus fiables.

Fibres

Les fibres synthétiques telles que le nylon, l’acrylique et le polyester ont transformé le secteur textile en 60 ans. Mais la fabrication et l'élimination de ces matériaux ne sont pas sans conséquence sur l’environnement. Les textiles synthétiques sont par exemple une source majeure de pollution par microplastiques et nombre d’entre eux sont fabriqués à partir de combustibles fossiles tels que le pétrole ou le charbon.

Les fibres naturelles ne sont pas non plus irréprochables : la production de coton nécessite par exemple de grandes quantités de pesticides et d’eau. Les chercheurs essayent de développer des textiles plus durables à partir des matériaux tous plus improbables les uns que les autres comme les feuilles d’ananas ou le marc de café. La société Singtex collecte ce dernier auprès de grandes enseignes de vente de café et le combine avec un polymère avant d’en faire un fil pouvant être utilisé pour la confection de vêtements d’extérieur et de couvre-lits.

À l’avenir, vos vêtements seront peut-être même capables de se réparer seuls. Tandem Repeat, lauréat « Early Bird » du prix Global Change de cette année, a créé une fibre thermoplastique qui intègre les caractéristiques d’auto-cicatrisation trouvées dans les gênes du calamar. Le tissu créé à partir de ces fibres a également des propriétés collantes, minimisant ainsi le déchirement des microfibres pendant le lavage.

Des chercheurs de l’université de technologie de Chalmers ont même développé un tissu qui convertit l'énergie cinétique en électricité. Un procédé qui fonctionne encore mieux quand le tissu est mouillé, ce qui laisse supposer qu’un jour, vos vêtements de sport pourraient servir à alimenter votre montre connectée.

Loctite 4070 pen application

Graphène

Le graphène et le premier matériau 2D du monde, c’est à dire composé d’une seule couche d’atomes. Plus important encore, sa résistance ainsi que ses propriétés extraordinaires en tant que conducteur d’électricité et de chaleur, au point d’être considéré par certains comme un « matériau miraculeux ».

« Le graphène peut améliorer les produits destinés au grand public de deux manières, » déclare le docteur Aravind Vijayaraghavan, maitre de conférences en nanomatériaux à l’université de Manchester. « D’une part en améliorant les produits existants, et d’autre part en permettant de créer de nouveaux produits qui n’existent pas encore. Le graphène peut par exemple rendre plus résistants et plus durables les plastiques et caoutchoucs existants, ce qui est intéressant non seulement pour les performances, mais aussi pour l’environnement. Il peut également servir à la production d'écrans flexibles, de batteries à super haute capacité ou de systèmes de purification de l’eau à haute efficacité. »

Deux chercheurs de l’université de Manchester, Andre Geim et Kostya Novoselov, sont les premiers scientifiques à avoir extrait du graphène à partir du graphite, remportant ainsi le prix Nobel de physique en 2010 pour leurs travaux.

Depuis cette découverte, de nombreux brevets pour des biens de consommation basés sur ce nouveau matériau ont été déposés, et certains produits commencent à apparaître sur le marché. L’entreprise Inov-8, spécialisée dans la fabrication de chaussures, a par exemple sorti un modèle de course dont la semelle en caoutchouc est renforcée au graphène, pour une résistance, selon leur estimation, 50 fois supérieure à celle d’une semelle en caoutchouc standard.

Batteries

Nous avons tous, ou presque, déjà eu à subir une panne de batterie en plein milieu d’un appel téléphonique important. À l’avenir, les batteries qui alimentent nos smartphones, ou pourquoi pas nos voitures, pourraient avoir une autonomie bien plus importante.

Les batteries solides forment l’un des domaines de recherche les plus passionnants de notre temps et représentent « un objectif très intéressant à long terme – une amélioration pour tous les consommateurs du marché de l’électronique, » déclare Allan Paterson, responsable de la gestion de programme pour Faraday Institution.

Les batteries solides sont plus stables et plus sures que les batteries lithium-ion qui équipent aujourd’hui la plupart des appareils électriques, et leur densité énergétique supérieure signifie que votre smartphone ou votre ordinateur portable pourrait tenir bien plus longtemps entre deux recharges.

 « Utilisées dans des véhicules électriques, l’allégement et l’amélioration de la densité énergétique qu’elles représentent permettraient d’améliorer la distance pouvant être parcourue tout en réduisant les frais, » déclare M. Paterson.

Les batteries sodium-ion sont également pleines de promesses. Au lieu du lithium, un matériau relativement rare, elles utilisent du sel, le sixième élément le plus commun sur Terre – et pourraient être jusqu’à sept fois plus efficaces que les batteries actuelles.

Mais avant de vous laisser rêver d’un smartphone qui n’aurait pas à être rechargé tous les soirs, M Paterson précise aussi : « il existe encore de nombreux défis à relever avant de voir apparaitre la prochaine génération de technologie de batteries. »

Cet article est une traduction de la version originale.