Comment les alliages à mémoire de forme sont en train de changer le jeu

Les alliages à mémoire de forme (AMF) ont la particularité de revenir à leur forme initiale après avoir été chauffés. Tout comme un liquide se transforme en gaz lorsqu’il est porté à ébullition, les AMF subissent une transformation de phase lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Ce phénomène est lié au déplacement des atomes, une activité imperceptible à l’œil nu.

Employés dans diverses applications, notamment comme actionneurs et capteurs, les AMF ont toutefois une contrainte : le temps de chauffage ou de refroidissement nécessaire pour leur transformation de phase.

Les alliages à mémoire de forme métamagnétiques (AMFMM), un type d’AMF récemment inventé, contournent ce problème grâce à leur capacité à changer de phase lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique externe. Néanmoins, comme la plupart des AMF, les AMFMM n’ont pas résolu un autre problème fréquent : ils perdent une grande quantité d’énergie lors de leur transformation de phase, un phénomène qui s’intensifie à basse température.

Le rôle du palladium dans la réduction de la perte d’énergie

C’est là qu’intervient une équipe de recherche de l’Université Tohoku qui a réussi à développer un AMFMM à base de palladium (Pd) qui présente une faible perte d’énergie. Même à des températures basses de l’ordre de 100 K, cette perte d’énergie était réduite à environ 1/100 par rapport aux AMFMM existants.

« Nous avons été stupéfaits de constater la faible perte d’énergie de notre nouvel alliage à base de Pd. Nous avons donc cherché à répondre à deux questions. Comment se comportait la perte d’énergie lorsque la température diminuait encore, par exemple à la température de l’hélium liquide (4,2 K), et pourquoi notre matériau présentait-il une si faible perte d’énergie ? » a déclaré Xiao Xu, auteur correspondant de l’article et professeur assistant à l’école d’ingénieurs de l’Université Tohoku.

La phase d’expérimentation des alliages

Pour y répondre, Xu et ses collègues de l’Institut de recherche sur les matériaux de l’Université Tohoku ont collaboré avec l’Institut de physique de l’état solide de l’Université de Tokyo. Ils ont d’abord effectué des mesures de magnétisation à l’aide de champs magnétiques pulsés à la température de l’hélium liquide. Comme les AMF précédents, le nouvel AMF à base de Pd a également montré une augmentation de la perte d’énergie à mesure que la température baissait. Cependant, cette perte d’énergie était nettement inférieure à celle des AMF actuels.

Ensuite, ils ont effectué des mesures de diffraction des rayons X, à basse température et sous des champs magnétiques forts, révélant que le nouvel alliage à base de Pd avait une meilleure compatibilité de réseau pour la transformation de phase. Les cristaux à l’intérieur des structures pouvaient changer plus facilement, expliquant ainsi pourquoi il présentait une perte d’énergie plus faible par rapport aux AMF existants.

Les implications pour un avenir durable

« Nous avons également été surpris de constater que notre alliage à base de Pd pouvait montrer une grande magnétostriction (la capacité de changer de dimension lorsqu’un champ magnétique externe est présent) comparable aux matériaux à base de terres rares à basse température. Cette avancée a des avantages plus larges pour créer un avenir durable« , explique Xu.

Et d’ajouter : « L’énergie de l’hydrogène devient de plus en plus importante comme source d’énergie propre. Comme le transport de l’hydrogène implique souvent de le convertir en hélium liquide, la nécessité d’une technologie capable de fonctionner à basse température est grandissante. Notre alliage à base de Pd, qui fonctionne avec une perte d’énergie limitée même à basse température, pourrait être utilisé comme capteurs et actionneurs magnétiques.« 

Publication :

Title: Pd₂MnGa metamagnetic shape memory alloy with small energy loss
Authors: Tatsuya Ito, Xiao Xu, Atsushi Miyake, Yuto Kinoshita, Makoto Nagasako, Kohki Takahashi, Toshihiro Omori, Masashi Tokunaga, and Ryosuke Kainuma
Journal: Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202207779

En guise de conclusion

Les avancées réalisées par l’Université Tohoku dans le développement d’alliages à mémoire de forme à base de palladium (Pd) ouvrent des perspectives inédites dans de nombreux domaines. L’efficacité de ces alliages, même à basse température, combinée à leur faible perte d’énergie, représente une percée majeure pour des applications potentielles dans le secteur de l’énergie propre, notamment pour le transport de l’hydrogène.

D’un autre côté, il faut noter que malgré ces avancées, il reste encore de nombreux défis à relever. Le développement et la production à grande échelle de ces alliages nécessiteront des investissements significatifs, sans garantie de rentabilité à court terme. De plus, bien que la perte d’énergie ait été considérablement réduite par rapport aux alliages à mémoire de forme existants, elle n’a pas été complètement éliminée, ce qui pourrait limiter certaines applications.

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