Le nitrure de bore dopé au carbone forme un film transparent et résistant aux intempéries qui adhère sans chaleur
Un nouveau revêtement pour le verre développé par des chercheurs américains pourrait contribuer à réduire les factures énergétiques, en particulier pendant la saison froide, en empêchant les pertes de chaleur par les fenêtres non étanches. Ce matériau, un film transparent obtenu en tissant du carbone dans le réseau atomique du nitrure de bore, forme une couche mince et résistante qui réfléchit la chaleur, résiste aux rayures et repousse l’humidité, les rayons UV et les variations de température.
Les chercheurs ont simulé le comportement du matériau dans un bâtiment de taille réelle situé dans des villes aux hivers rigoureux comme New York, Pékin et Calgary, et ont montré qu’il permettait de réaliser des économies d’énergie de 2,9 % par rapport aux alternatives existantes. Avec plus de 4 milliards de pieds carrés de nouvelles fenêtres installées chaque année rien qu’aux États-Unis, les économies peuvent être considérables.
Selon une étude publiée dans Advanced Materials, la durabilité du revêtement permet de l’appliquer sur la face extérieure du verre, ce qui constitue un avantage majeur par rapport aux revêtements à faible émissivité (low-E) classiques. L’émissivité décrit la capacité d’un matériau à rayonner la chaleur sous forme d’énergie thermique ; plus la valeur est faible, moins la chaleur s’échappe à travers le verre. Les revêtements low-E traditionnels sont susceptibles de se dégrader sous l’effet de facteurs environnementaux tels que l’humidité et les fluctuations de température, ce qui nécessite de les appliquer sur la face intérieure des fenêtres.
« Bien que le nitrure de bore pur présente une émissivité presque similaire à celle du verre, l’ajout d’une petite quantité de carbone réduit considérablement l’émissivité, ce qui change complètement la donne », indique Pulickel Ajayan, professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson à Rice et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.
Pour créer le revêtement, l’équipe a utilisé le dépôt par laser pulsé, une technique dans laquelle de courtes impulsions laser à haute énergie frappent une cible solide en nitrure de bore, provoquant des panaches de plasma qui se dispersent en vapeur puis se déposent sur un substrat, en l’occurrence du verre. Comme le processus se déroule à température ambiante, il évite la chaleur élevée généralement nécessaire à la fabrication de revêtements adhésifs.
« Du point de vue de la synthèse, le revêtement de nitrure de bore sur le verre est vraiment étonnant et très excitant », a ajouté Abhijit Biswas, auteur principal de l’étude et expert en synthèse de couches minces.
Ajayan a noté que la même technique de dépôt de nitrure de bore à basse température pourrait être adaptée à d’autres matériaux que le verre, notamment les polymères, les textiles et peut-être même les surfaces biologiques. De plus, d’autres techniques évolutives, telles que le dépôt chimique en phase vapeur roll-to-roll ou la pulvérisation cathodique, pourraient à terme rendre la production commerciale possible grâce à une optimisation adéquate du processus.
« Cela élargit considérablement le champ d’application des revêtements en nitrure de bore », a déclaré Ajayan, auteur correspondant de l’étude. Les chercheurs de son groupe à Rice étudient depuis des années la croissance des films minces de nitrure de bore, intéressés par les propriétés mécaniques, thermiques et optiques exceptionnelles de ce matériau.
Du point de vue des matières premières, le nitrure de bore est moins coûteux que l’argent ou l’oxyde d’indium-étain utilisés dans la plupart des verres à faible émissivité commerciaux. Les chercheurs mettent toutefois en garde contre les comparaisons directes des coûts, car les matériaux diffèrent en termes de durabilité, de méthodes de traitement et de maturité technologique. Malgré cela, l’équipe estime que les performances à long terme du revêtement sont prometteuses, en particulier dans les environnements difficiles où les matériaux existants ne sont pas à la hauteur.
Afin d’évaluer la clarté optique du revêtement et son potentiel d’économies d’énergie dans les bâtiments, l’équipe de Rice s’est associée à Yi Long, coauteur correspondant de l’Université chinoise de Hong Kong, dont le groupe se concentre sur les matériaux fonctionnels pour les technologies de fenêtres intelligentes. M. Long a souligné la durabilité du revêtement dans des conditions extérieures comme une distinction clé par rapport aux technologies existantes.
« Sa grande résistance aux intempéries en fait le premier revêtement de fenêtre à faible émissivité destiné à l’extérieur, avec une capacité d’économie d’énergie qui surpasse clairement celle de son homologue destiné à l’intérieur », a précisé M. Long. « Il pourrait constituer une excellente solution dans les environnements densément construits. »
Shancheng Wang a également apporté une contribution significative à la recherche, en particulier en ce qui concerne l’angle de l’économie d’énergie.
« Le niveau de transparence et la faible émissivité prometteuse font du verre revêtu dopé au carbone une option compétitive en matière d’économie d’énergie pour des villes comme Pékin et New York », a conclu M. Wang.
Article : « Carbon Doped Boron Nitride Nano-Coatings for Durable, Low Emissivity Glass Windows » – DOI : 10.1002/adma.202507557
