Les piézoélectriques peuvent-ils produire de l’électricité ?

Un protocole de « bonnes pratiques » destiné aux chercheurs qui développent des matériaux piézoélectriques a été mis au point par des scientifiques – une première dans ce domaine technologique de pointe.

Le protocole a été mis au point par une équipe internationale dirigée par des physiciens de l’université de Bath en réponse aux constatations selon lesquelles les rapports expérimentaux manquent de cohérence. Les chercheurs ont fait la découverte choquante que neuf articles scientifiques sur dix omettent des informations expérimentales cruciales pour garantir la reproductibilité des travaux rapportés. Ils discutent du besoin urgent d’un protocole de recherche standardisé sur la piézoélectricité dans la revue Nano Energy.

Morteza Hassanpour Amiri, de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, en Allemagne, et premier auteur de l’étude, a déclaré : « La recherche sur la piézoélectricité s’est accélérée ces dernières années, et pour cause : les matériaux piézoélectriques produisent de l’électricité lorsque vous exercez une pression ou des vibrations mécaniques, ou lorsque vous tapez dessus ou les déformez. En ajoutant un circuit, cette électricité peut être stockée puis utilisée« .

Efficacité élevée de la collecte d’énergie

En raison de l’énorme potentiel des piézoélectriques, un flux constant de nouveaux matériaux et composites a été développé et testé au cours des 20 dernières années pour leur potentiel de récupération d’énergie, beaucoup revendiquant des rendements élevés. Mais les chercheurs de Bath, dirigés par le professeur Kamal Asadi du département de physique, ancien chef de groupe au MPI-P, suggèrent que ces résultats – parfois publiés dans des revues de haut niveau – n’incluent souvent pas les détails des paramètres expérimentaux clés. Ces détails sont essentiels pour garantir la reproductibilité lorsque d’autres équipes de recherche entreprennent d’évaluer ou d’améliorer de manière indépendante les matériaux présentés.

Le professeur Asadi s’explique : « La reproductibilité des résultats de la recherche expérimentale n’est peut-être pas la clé du succès d’une recherche, mais c’est la clé qui permet d’éviter que des résultats peu fiables soient acceptés comme des faits. L’enthousiasme pour le développement d’un matériau champion aux performances impressionnantes doit s’accompagner de suffisamment de données justificatives« .

Pour cette étude, les chercheurs de Bath ont évalué 80 articles de recherche sélectionnés au hasard et publiés au cours des deux dernières décennies sur les dispositifs de collecte d’énergie piézoélectrique. Pour près de 90 % de ces articles, des paramètres expérimentaux essentiels – nécessaires à l’évaluation des matériaux et des dispositifs – manquaient, ce qui rendait les expériences difficiles, voire impossibles, à reproduire.

L’importance de la reproductibilité

Le professeur Asadi a ajouté : Il y a trois raisons importantes pour lesquelles la reproductibilité n’est pas possible : « La reproductibilité est importante pour trois raisons : nous sommes des scientifiques et devons nous efforcer d’être aussi précis que possible ; nous disposons de ressources limitées, donc en communiquant tous les paramètres nécessaires qui garantissent la reproductibilité, nous aidons nos pairs à s’appuyer sur nos résultats et à faire progresser le domaine ; en étant transparents, nous instaurons également la confiance avec le public, les organismes de financement de la science et les décideurs politiques, et nous fournissons une meilleure orientation pour les futures « grandes » décisions qui peuvent nous concerner tous. »

Le professeur Asadi, expert en piézoélectricité, estime que ce manque de données entrave les progrès dans ce domaine, car les chercheurs ne peuvent pas se tourner vers la littérature pour identifier les matériaux présentant le meilleur potentiel d’exploitation, puis poursuivre le développement de ces matériaux prometteurs.

Nouveau protocole

Le nouveau protocole de Bath propose une collecte de données et un rapport standardisés. Le professeur Chris Bowen, du département d’ingénierie mécanique de Bath, qui a également participé à cette étude, a déclaré : « Nous avons essentiellement créé des lignes directrices qui seraient utiles aux chercheurs dans leur domaine de la piézoélectricité ».

Le professeur Asadi espère que des appareils électroniques alimentés par la piézoélectricité seront commercialisés dans les dix prochaines années.

« C’est pourquoi il est important de disposer d’un protocole normalisé pour la communication des données de recherche en vue d’une évaluation quantitative des matériaux et des dispositifs de récupération d’énergie. Cela permet aux scientifiques de faire de réels progrès en s’appuyant sur les expériences des uns et des autres et en travaillant à un objectif commun : faire de la piézoélectricité une réalité pour tous ceux qui espèrent recharger leurs appareils de manière plus durable et sans dépendre d’une source d’énergie traditionnelle« .

Il a ajouté : « Le domaine de la collecte d’énergie piézoélectrique est vraiment passionnant, il a beaucoup de potentiel et d’excellents scientifiques y travaillent, mais il est encore jeune, et donc pour s’assurer que nous progressons aussi bien et aussi vite que possible, il sera crucial de s’assurer que les expériences sont reproductibles, et j’espère donc que le protocole que nous avons suggéré sera adopté par la communauté dans son ensemble« .

Le nouveau protocole est décrit dans l’article intitulé « Piezoelectric energy harvesters : A critical assessment and a standardized reporting of power-producing vibrational harvesters ».

Rose Fatscher et Rebecca Taylor, étudiantes en licence de physique à l’université de Bath, ont participé à cette étude. Ce travail faisait partie de la thèse de doctorat du Dr Morteza Hassanpour Amiri et a été réalisé en collaboration avec le professeur Paulo Rocha, de l’université de Coimbra, au Portugal.