Des chimistes de l’université d’Albany ont créé un nouveau composé à haute énergie qui pourrait révolutionner le carburant des fusées et rendre les vols spatiaux plus efficaces. Lors de l’allumage, le composé libère plus d’énergie par rapport à son poids et à son volume que les carburants actuels. Dans une fusée, cela signifierait qu’il faudrait moins de carburant pour assurer la même durée de vol ou la même charge utile, et qu’il y aurait plus de place pour les fournitures essentielles à la mission.
« Dans les fusées, l’espace est limité », indique Michael Yeung, professeur adjoint de chimie, dont le laboratoire a dirigé les travaux. « Chaque centimètre carré doit être utilisé de manière efficace, et tout ce qui se trouve à bord doit être aussi léger que possible. La création d’un carburant plus efficace à l’aide de notre nouveau composé permettrait de réduire l’espace nécessaire au stockage du carburant, libérant ainsi de la place pour l’équipement, notamment les instruments utilisés pour la recherche. Lors du voyage de retour, cela pourrait se traduire par davantage d’espace disponible pour ramener des échantillons. »
Le composé nouvellement synthétisé, le diborure de manganèse (MnB2), est plus de 20 % plus énergétique en poids et environ 150 % plus énergétique en volume que l’aluminium actuellement utilisé dans les propulseurs à propergol solide. Bien qu’il soit très énergétique, il est également très sûr et ne brûle qu’au contact d’un agent inflammable tel que le kérosène.
La structure à base de bore qui le compose est également polyvalente ; des recherches connexes menées dans le laboratoire de M. Yeung ont démontré son potentiel pour aider à construire des convertisseurs catalytiques plus durables pour les voitures et servir de catalyseur pour décomposer les plastiques.
Il faut de la chaleur pour produire de la chaleur
Le diborure de manganèse appartient à une classe de composés chimiques considérés comme ayant des propriétés inhabituelles, mais l’exploration de ces propriétés a été limitée par l’impossibilité de produire réellement le composé.
« Les diborures ont commencé à attirer l’attention dans les années 1960 », ajoute Joseph Doane, doctorant à l’université d’Albany, qui travaille avec M. Yeung. « Depuis ces premières observations, de nouvelles technologies nous permettent de synthétiser des composés chimiques dont l’existence n’était auparavant qu’une hypothèse. »
« Grâce à nos connaissances sur les éléments du tableau périodique, nous soupçonnions que le diborure de manganèse serait structurellement asymétrique et instable, deux facteurs qui, combinés, le rendraient très énergétique, mais jusqu’à récemment, nous ne pouvions pas le tester car il était impossible à fabriquer. La synthèse réussie du diborure de manganèse pur est en soi une réussite passionnante. Nous pouvons désormais le tester expérimentalement et découvrir de nouvelles façons de l’utiliser. »
La synthèse du diborure de manganèse nécessite une chaleur extrême générée à l’aide d’un outil appelé « four à arc ». La première étape consiste à presser ensemble des poudres de manganèse et de bore pour former une pastille, qui est placée dans une petite chambre en verre renforcé. Le four à arc dirige un courant électrique étroit sur la pastille, la chauffant à une température torride de 3 000 °C (plus de 5 000 °F). Le matériau fondu est ensuite rapidement refroidi pour fixer la structure en place. Au niveau atomique, ce processus force un atome de manganèse central à se lier à un trop grand nombre d’autres atomes, ce qui crée une structure trop dense, compacte comme un ressort enroulé.
3…2…1… Déformation !
Lorsqu’on explore de nouveaux composés chimiques, il est essentiel de pouvoir produire physiquement le composé. Il faut également être capable de définir sa structure moléculaire afin de mieux comprendre pourquoi il se comporte ainsi.
Gregory John, doctorant à l’université d’Albany, qui travaille avec le chimiste computationnel Alan Chen, a construit des modèles informatiques pour visualiser la structure moléculaire du diborure de manganèse. Ces modèles ont révélé quelque chose d’essentiel : une légère déformation, appelée « déformation », qui confère au composé son énergie potentielle élevée.
« Notre modèle du composé de diborure de manganèse ressemble à une coupe transversale d’un sandwich à la crème glacée, où les biscuits extérieurs sont constitués d’une structure en treillis composée d’hexagones imbriqués », déclare G. John. « En y regardant de plus près, on constate que les hexagones ne sont pas parfaitement symétriques ; ils sont tous légèrement inclinés. C’est ce que nous appelons la « déformation ». En mesurant le degré de déformation, nous pouvons utiliser cette mesure comme indicateur pour déterminer la quantité d’énergie stockée dans le matériau. C’est dans cette inclinaison que l’énergie est stockée. »
Voici une autre façon de l’illustrer.
« Imaginez un trampoline plat ; il n’y a pas d’énergie lorsqu’il est plat », explique M. Yeung. « Si je place un poids gigantesque au centre du trampoline, celui-ci s’étirera. Cet étirement représente l’énergie stockée par le trampoline, qui sera libérée lorsque l’objet sera retiré. Lorsque notre composé s’enflamme, c’est comme si l’on retirait le poids du trampoline et que l’énergie était libérée. »
Les nouveaux matériaux nécessitent de nouveaux composés
« Les chimistes s’accordent à dire que les composés à base de bore devraient avoir des propriétés inhabituelles qui les rendent différents de tous les autres composés existants », déclare Alan Chen, professeur agrégé de chimie. « Des recherches sont actuellement menées pour déterminer quelles sont ces propriétés et ces comportements. Ce type de recherche est au cœur de la chimie des matériaux, où la création de matériaux plus durs, plus résistants et plus extrêmes nécessite la mise au point de nouveaux produits chimiques. C’est ce que fait le laboratoire de M. Yeung, dont les découvertes pourraient améliorer le carburant des fusées, les convertisseurs catalytiques et même les processus de recyclage des plastiques. »
« Cette étude est également un excellent exemple du processus scientifique, dans lequel les chercheurs recherchent des propriétés chimiques intéressantes même lorsqu’ils ne savent pas encore quelles applications spécifiques pourraient en découler. Parfois, comme dans le cas présent, les résultats sont fortuits. »
L’intérêt de Yeung pour les composés du bore a commencé lorsqu’il était étudiant diplômé à l’université de Californie à Los Angeles. Son projet visait à découvrir des composés plus durs que le diamant.
« Je me souviens très bien de la première fois où j’ai fabriqué un composé lié au diborure de manganèse », raconte pour conclure M. Yeung. « Je me tenais là, avec ce nouveau matériau censé être ultra-dur. Au lieu de cela, il a commencé à chauffer et à prendre une jolie couleur orange. Je me suis dit : « Pourquoi est-il orange ? Pourquoi brille-t-il ? Il ne devrait pas briller ! » C’est là que j’ai réalisé à quel point les composés de bore pouvaient être énergétiques. J’ai mis cette idée de côté pour l’explorer plus tard, et c’est exactement ce sur quoi nous travaillons actuellement. »
Article : « Violations of Coordination: Exploring Metastable Diborides via Energetic Transition Metals » – DOI : doi/10.1021/jacs.5c04066
Source : Albany U.
