Les ingénieurs surfent sur les vibrations pour connecter nos objets

Dans un monde en quête incessante d’énergies propres, une équipe d’ingénieurs a développé un matériau révolutionnaire capable de transformer les vibrations mécaniques omniprésentes dans notre environnement en électricité.

Cette innovation promet de fournir de l’énergie aux capteurs intégrés dans une multitude d’appareils, allant des stimulateurs cardiaques aux engins spatiaux.

Issue d’une collaboration entre les chercheurs de l’Université de Waterloo et de l’Université de Toronto, cette avancée technologique inédite est le fruit d’une décennie de travaux acharnés. Le système de production d’énergie ainsi conçu se distingue par sa compacité, sa fiabilité, son faible coût et son caractère hautement écologique.

« Notre avancée aura un impact social et économique significatif en réduisant notre dépendance à l’égard des sources d’énergie non renouvelables« , a déclaré Asif Khan, chercheur à l’université de Waterloo et coauteur d’une nouvelle étude sur le projet. « Nous avons besoin de ces matériaux générateurs d’énergie de manière plus critique aujourd’hui qu’à n’importe quel autre moment de l’histoire« .

Le système mis au point par M. Khan et ses collègues repose sur l’effet piézoélectrique, qui génère un courant électrique en appliquant une pression – les vibrations mécaniques en sont un exemple – à une substance appropriée.

Cet effet a été découvert en 1880 et, depuis lors, un nombre limité de matériaux piézoélectriques, tels que le quartz et les sels de Rochelle, ont été utilisés dans des technologies allant du sonar à l’imagerie ultrasonique en passant par les appareils à micro-ondes.

Le problème est que jusqu’à présent, les matériaux piézoélectriques traditionnels utilisés dans les appareils commerciaux ont une capacité limitée à générer de l’électricité. En outre, ils utilisent souvent du plomb, que M. Khan qualifie de « nuisible à l’environnement et à la santé humaine« .

Les chercheurs ont résolu ces deux problèmes.

Ils ont commencé par faire croître un grand cristal unique d’un composé moléculaire de métal-halogénure appelé chlorure de cuivre edabco en utilisant l’effet Jahn-Teller, un concept chimique bien connu lié à la distorsion géométrique spontanée d’un champ cristallin.

Selon M. Khan, ce matériau hautement piézoélectrique a ensuite été utilisé pour fabriquer des nanogénérateurs « d’une densité de puissance record, capables de capter de minuscules vibrations mécaniques dans toutes les circonstances dynamiques, des mouvements humains aux véhicules automobiles« , dans un processus ne nécessitant ni plomb ni énergie non renouvelable.

Le nanogénérateur est minuscule – 2,5 centimètres de côté et l’épaisseur d’une carte de visite – et pourrait être utilisé de manière pratique dans d’innombrables situations. Il pourrait alimenter les capteurs d’une vaste gamme d’appareils électroniques, y compris les milliards nécessaires à l’internet des objets, ce réseau mondial en plein essor d’objets équipés de capteurs et de logiciels qui se connectent et échangent des données avec d’autres appareils.

Dr. Dayan Ban, chercheur à l’Institut de nanotechnologie de Waterloo, a déclaré qu’à l’avenir, les vibrations d’un avion pourraient alimenter ses systèmes de surveillance sensorielle, ou les battements de cœur d’une personne pourraient faire fonctionner son stimulateur cardiaque sans pile.

« Notre nouveau matériau a fait preuve d’une performance record« , a déclaré M. Ban, professeur d’ingénierie électrique et informatique. Il représente une nouvelle voie dans ce domaine.

L’étude, intitulée Large piezoelectric response in a Jahn-Teller distorted molecular metal halide (Réponse piézoélectrique importante dans un halogénure métallique moléculaire déformé par Jahn-Teller), est publiée dans la revue Nature Communications.