Un matériau innovant de 0,3 millimètre qui génère de l’électricité par vibrations

La recherche de nouvelles sources d’énergie mobilise les scientifiques à l’échelle internationale. Dans ce cadre, une équipe de chercheurs new-yorkais a élaboré un matériau écologique capable de générer de l’électricité sous l’effet de compressions ou de vibrations. Leur innovation pourrait modifier la façon dont l’énergie est produite et utilisée dans notre environnement quotidien, des routes aux gratte-ciels en passant par les dispositifs médicaux.

Un film polymère innovant

Les scientifiques ont conçu un film polymère imprégné d’un composé pérovskite chalcogénure particulier. Ce matériau produit de l’électricité lorsqu’il subit une compression ou une contrainte, un phénomène appelé effet piézoélectrique. L’étude présente l’un des rares matériaux piézoélectriques haute performance ne contenant pas de plomb.

«Nos résultats et leur potentiel pour soutenir la transition vers l’énergie verte nous enthousiasment et nous encouragent» a déclaré Nikhil Koratkar, Ph.D. du Rensselaer Polytechnic Institute et auteur principal de l’étude. «Le plomb est toxique et son utilisation est de plus en plus restreinte dans les matériaux et les appareils. Notre objectif était de créer un matériau sans plomb pouvant être fabriqué à faible coût à partir d’éléments couramment trouvés dans la nature».

Le film de récupération d’énergie, d’une épaisseur de seulement 0,3 millimètres, pourrait être intégré dans une grande variété d’appareils, de machines et de structures. «En substance, le matériau convertit l’énergie mécanique en énergie électrique – plus la charge de pression appliquée est importante et plus la surface sur laquelle la pression est appliquée est grande, plus l’effet est prononcé» a ajouté le professeur Koratkar.

Les applications potentielles sont nombreuses. Le matériau pourrait être utilisé sous les autoroutes pour générer de l’électricité lors du passage des véhicules. Son incorporation dans les matériaux de construction permettrait également de produire de l’électricité lors des vibrations des bâtiments.

Fonctionnement et expérimentations

L’effet piézoélectrique se manifeste dans les matériaux dépourvus de symétrie structurelle. Sous l’effet d’une contrainte, les matériaux piézoélectriques se déforment de manière à provoquer la séparation des ions positifs et négatifs à l’intérieur du matériau. Ce «moment dipolaire», selon la terminologie scientifique, peut être exploité et transformé en courant électrique.

Après la synthèse du nouveau matériau, composé de baryum, de zirconium et de soufre, les chercheurs ont évalué sa capacité à produire de l’électricité en le soumettant à divers mouvements corporels, tels que la marche, la course, les applaudissements et le tapotement des doigts. Les résultats ont démontré que le matériau générait suffisamment d’électricité pour alimenter des banques de LED formant les lettres «RPI».

L’équipe du professeur Koratkar prévoit d’explorer l’ensemble de la famille des composés pérovskites chalcogénures à la recherche de ceux présentant un effet piézoélectrique encore plus prononcé. L’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pourraient s’avérer des outils précieux dans cette quête.

Shekhar Garde, Ph.D., doyen de l’École d’ingénierie de RPI, a souligné : «La production d’énergie durable est essentielle pour notre avenir. Le travail du professeur Koratkar illustre parfaitement comment des approches innovantes dans la découverte de matériaux peuvent contribuer à résoudre un problème mondial».

Légende illustration : L’équipe du RPI a mis au point un film polymère imprégné d’un composé pérovskite de chalcogénure spécial qui produit de l’électricité lorsqu’il est pressé ou sollicité. Le dispositif pourrait être utilisé dans des biens de consommation, comme une chaussure qui s’illumine lorsque l’utilisateur marche, mais il a aussi des applications potentielles dans les transports et les infrastructures. (Image : Rensselaer Polytechnic Institute)

Article : « Piezoelectricity in chalcogenide perovskites » – DOI: 10.1038/s41467-024-50130-5