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Composite explosif comme source d’énergie pour les microsystèmes

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Un explosif solide à la densité d’énergie équivalente à la nitroglycérine : c’est le matériau composite que viennent d’élaborer des chercheurs toulousains du Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (CNRS)** à l’aide d’un procédé de fabrication innovant, qui met en contact des nanoparticules avec des brins d’ADN.

Les brins jouent le rôle de « mécanos » qui assemblent entre elles les différentes variétés de nanoparticules utilisées.

Le nouvel explosif possède une énergie dégagée et une température d’initiation thermique parmi les meilleures connues à ce jour dans la littérature. Il pourrait servir de source d’énergie pour alimenter, dans l’espace ou dans l’environnement, des microsystèmes embarqués.

Des nanoparticules d’aluminium et d’oxyde de cuivre, tels sont les deux ingrédients de base du matériau composite. L’idée d’associer de l’aluminium et de l’oxyde de cuivre pour produire de l’énergie n’est pas nouvelle (les deux servaient autrefois à souder les voies ferrées), mais celle de recourir à des brins d’ADN pour les marier l’est. Pourquoi choisir l’ADN ? Deux brins d’ADN complémentaires (c’est-à-dire dont les molécules sont capables de se reconnaître) s’auto-assemblent en structure de double hélice, puis restent solidement collés entre eux, comme dans toutes les cellules de notre corps. Les chercheurs ont mis à profit ces propriétés « collantes » de l’ADN. Ils ont d’abord greffé séparément des brins d’ADN sur des billes nanoscopiques d’aluminium et d’oxyde de cuivre. Puis ils ont mélangé ensemble les deux types de nanoparticules coiffées de brins d’ADN. Résultat, les brins complémentaires de chaque type de nanoparticules se sont liés, transformant la poudre d’aluminium et d’oxyde de cuivre originelle en un matériau compact et solide qui s’enflamme spontanément une fois chauffé à 410°C (la température spontanée de combustion se révèle parmi les plus faibles connues à ce jour dans la littérature).

Outre une faible température d’initiation de combustion, ce composite offre également l’avantage d’une haute densité énergétique, semblable à celle de la nitroglycérine : à même quantité de matière, il produit considérablement plus de chaleur qu’avec de l’aluminium et de l’oxyde de cuivre pris séparément. En effet, dans cette dernière situation, une part non négligeable d’énergie n’est pas exploitée. En revanche, l’utilisation de nanoparticules, grâce à leur grande surface active, a permis aux chercheurs de se rapprocher de l’énergie maximum théorique de la réaction chimique qui produit la chaleur.

Composite explosif comme source d'énergie pour les microsystèmes

Schéma représentant les différentes étapes de fabrication des nanocomposites Al/CuO par assemblage ADN. Les nanopoudres d’aluminium et d’oxyde de cuivre sont d’abord mises en suspension et stabilisées en solution aqueuse, ensuite fonctionnalisées avec des monobrins d’ADN et finalement assemblées grâce à l’hybridation des brins d’ADN complémentaires.

Sa densité énergétique élevée fait de ce composite un combustible de choix pour les nano-satellites, ces satellites de quelques kilos qui commencent à peupler l’espace. Trop légers, ils ne peuvent être équipés d’un mode de propulsion conventionnel une fois en orbite. Munis de quelques centaines de grammes du composite, les nano-satellites auraient suffisamment d’énergie pour corriger leur trajectoire ou leur orientation.

Sur Terre, les applications de ce composite sont nombreuses : inflammateur de gaz dans des moteurs à combustion ou de carburant dans des tuyères d’avion et de fusée, détonateur miniature de charges, outil de soudure localisée… Une fois sa chaleur transformée en énergie électrique, le composite pourrait aussi servir de source d’énergie d’appoint pour des microsystèmes (comme des détecteurs de pollutions placés dans la nature).

Cette innovation fait l’objet d’une publication qui vient d’être publiée en ligne sur le site de la revue Advanced Functional Materials.

** en collaboration avec le Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (Université Toulouse 3 / INP Toulouse / CNRS).

 
© Fabrice Séverac
Photo en haut et à gauche : microscopie électronique à balayage (MEB) d’un nanocomposite individuel d’environ 2µm.

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