Du verre à l’acier en passant par les terres rares, les nouveaux matériaux ont changé la société tout au long de l’histoire

Peter Mullner, Boise State University

De nombreux appareils modernes – des téléphones portables aux ordinateurs en passant par les véhicules électriques et les turbines éoliennes – reposent sur des aimants puissants fabriqués à partir d’un type de minéraux appelés terres rares. À mesure que les systèmes et les infrastructures utilisés dans la vie quotidienne se numérisent et que les États-Unis s’orientent vers les énergies renouvelables, l’accès à ces minéraux est devenu essentiel, et les marchés de ces éléments ont connu une croissance rapide.

La société moderne utilise désormais des aimants de terres rares dans tous les domaines, de la défense nationale, où les systèmes à base d’aimants font partie intégrante du guidage des missiles et des avions, à la transition vers l’énergie propre, qui dépend des turbines éoliennes et des véhicules électriques.

La croissance rapide du commerce des métaux des terres rares et ses effets sur la société n’est pas la seule étude de cas de ce type. Tout au long de l’histoire, les matériaux ont discrètement façonné la trajectoire de la civilisation humaine. Ils forment les outils que les gens utilisent, les bâtiments qu’ils habitent, les dispositifs qui médiatisent leurs relations et les systèmes qui structurent les économies. Les matériaux nouvellement découverts peuvent avoir des effets d’entraînement qui façonnent les industries, modifient les équilibres géopolitiques et transforment les habitudes quotidiennes des gens.

La science des matériaux est l’étude de la structure atomique, des propriétés, de la transformation et de la performance des matériaux. À bien des égards, la science des matériaux est une discipline qui a d’immenses conséquences sociales.

En tant que scientifique des matériaux, je m’intéresse à ce qui peut se passer lorsque de nouveaux matériaux deviennent disponibles. Le verre, l’acier et les aimants en terre rare sont autant d’exemples de la manière dont l’innovation dans la science des matériaux a entraîné des changements technologiques et, par conséquent, façonné les économies, les politiques et l’environnement à l’échelle mondiale.

Les lentilles de verre et la révolution scientifique

Au début du XIIIe siècle, après le pillage de Constantinople, d’excellents verriers byzantins ont quitté leur pays pour s’installer à Venise, qui était à l’époque un centre économique et politique puissant. La noblesse locale accueille favorablement les belles marchandises des verriers. Cependant, pour éviter que les fours à verre ne provoquent des incendies, les nobles ont exilé les verriers – sous peine de mort – sur l’île de Murano.

Murano est devenu un centre de l’artisanat du verre. Au XVe siècle, le verrier Angelo Barovier expérimente l’ajout au verre de cendres de plantes brûlées, qui contiennent une substance chimique appelée potasse.

La potasse réduit la température de fusion et rend le verre liquide plus fluide. Elle a également éliminé les bulles dans le verre et amélioré la clarté optique. Ce verre transparent a ensuite été utilisé dans les lentilles grossissantes et les lunettes.

La presse à imprimer de Johannes Gutenberg, achevée en 1455, a rendu la lecture plus accessible aux Européens. Les lunettes de lecture sont devenues de plus en plus populaires parmi les érudits, les marchands et le clergé, à tel point que la fabrication de lunettes est devenue une profession établie.

Au début du XVIIe siècle, les lentilles de verre sont devenues des dispositifs optiques composés. Galilée a pointé un télescope vers les corps célestes, tandis que Antonie van Leeuwenhoek a découvert la vie microbienne à l’aide d’un microscope.

Les instruments à lentilles ont été transformateurs. Les télescopes ont redéfini des visions cosmologiques de longue date. Les microscopes ont ouvert des champs entièrement nouveaux en biologie et en médecine.

Ces changements ont marqué l’avènement de la science empirique, où l’observation et la mesure sont à l’origine de la création de connaissances. Aujourd’hui, le télescope spatial James Webb et l’Observatoire Vera C. Rubin perpétuent l’héritage de ces premiers télescopes en matière de création de connaissances.

L’acier et les empires

À la fin du 18e et au 19e siècle, la révolution industrielle a créé une demande de matériaux plus résistants et plus fiables pour les machines, les chemins de fer, les navires et les infrastructures. Le matériau qui a émergé a été l’acier, qui est solide, durable et bon marché. L’acier est un mélange composé principalement de fer, auquel sont ajoutées de petites quantités de carbone et d’autres éléments.

Les pays qui fabriquaient de l’acier à grande échelle disposaient autrefois d’un pouvoir économique et politique considérable et d’une influence sur les décisions géopolitiques. Par exemple, le Parlement britannique avait l’intention d’empêcher les colonies d’exporter de l’acier fini avec le iron act de 1750. Ils voulaient que le fer brut des colonies alimente leur industrie sidérurgique en Angleterre.

Benjamin Huntsman a inventé un processus de fusion utilisant des récipients en céramique de 3 pieds de haut, appelés creusets, dans le Sheffield du XVIIIe siècle. Le procédé de Huntsman crucible process permettait de produire un acier de meilleure qualité pour les outils et les armes.

Un siècle plus tard, Henry Bessemer a mis au point le procédé de fabrication de l’acier par soufflage d’oxygène, qui a permis d’augmenter considérablement la vitesse de production et de réduire les coûts. Aux États-Unis, des personnalités comme Andrew Carnegie ont créé une vaste industrie basée sur le procédé de Bessemer.

La disponibilité généralisée de l’acier a transformé la façon dont les sociétés construisaient, se déplaçaient et se défendaient. Les gratte-ciel et les systèmes de transport en commun en acier ont permis aux villes de se développer, les cuirassés et les chars d’assaut construits en acier ont donné du pouvoir aux armées, et les voitures contenant de l’acier sont devenues des éléments essentiels de la vie des consommateurs.

La maîtrise des ressources et des infrastructures sidérurgiques a fait de l’acier un fondement de la puissance nationale. L’ascension de la Chine vers la domination de l’acier au XXIe siècle s’inscrit dans la continuité de ce modèle. De 1995 à 2015, la contribution de la Chine à la production mondiale d’acier est passée d’environ 10 % à plus de 50 %. La Maison Blanche a réagi en 2018 en imposant des tarifs massifs sur l’acier chinois.

Métaux de terres rares et commerce mondial

Au début du 21e siècle, l’avancée des technologies numériques et la transition vers une économie basée sur les énergies renouvelables ont créé une demande pour les éléments de terres rares.

Les éléments terrestres rares sont 17 éléments chimiquement très similaires, dont le néodyme, le dysprosium, le samarium et d’autres. Ils sont présents dans la nature en paquets et sont les ingrédients qui rendent les aimants super forts et utiles. En raison de leur similarité chimique, la séparation et la purification des éléments des terres rares impliquent des processus complexes et coûteux.

La Chine contrôle la majorité de la capacité mondiale de traitement des terres rares. Les tensions politiques entre les pays, surtout en ce qui concerne les droits de douane et la concurrence stratégique, peuvent entraîner des pénuries ou des perturbations dans la chaîne d’approvisionnement.

Le cas des métaux des terres rares illustre comment une seule catégorie de matériaux peut façonner la politique commerciale, la planification industrielle et même les alliances diplomatiques.

La transformation technologique commence par une pression sociétale. Les nouveaux matériaux ouvrent la voie à des percées scientifiques et techniques. Dès qu’un matériau s’avère utile, il s’intègre rapidement dans le tissu de la vie quotidienne et dans des systèmes plus vastes. À chaque innovation, le monde matériel réorganise subtilement le monde social – redéfinissant ce qui est possible, souhaitable et normal.

Comprendre comment les sociétés réagissent aux nouvelles innovations dans la science des matériaux peut aider les ingénieurs et les scientifiques d’aujourd’hui à résoudre les crises en matière de durabilité et de sécurité. Chaque décision technique est, d’une certaine manière, une décision culturelle, et chaque matériau a une histoire qui va bien au-delà de sa structure moléculaire.

Peter Mullner, Distinguished Professor in Materials Science and Engineering, Boise State University

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.