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Comment identifier les fragilités des matériaux recyclés à l'échelle nanométrique ?

L'Institut polytechnique de Grenoble s'équipe d'une nouvelle sonde atomique tomographique. Son objectif, entre autres, est de caractériser les défauts de métaux mélangés lors du recyclage, avec une précision sans pareille.

Déchets  |    |  Félix Gouty
Comment identifier les fragilités des matériaux recyclés à l'échelle nanométrique ?

Recycler reste indispensable, mais pas toujours sans conséquence. Certains matériaux, s'ils sont mal triés et finissent donc par se mélanger lors de leur recyclage, ne sont plus aussi performants qu'au moment de leur fabrication première. L'architecture interne de la matière issue de ces mélanges involontaires n'est pas toujours aisée à déterminer, pas plus d'ailleurs que les défaillances qu'elle engendre en termes de propriétés. Pour éviter ces écueils, les chercheurs du laboratoire Science et ingénierie des matériaux et des procédés (Simap) de l'Institut polytechnique de Grenoble (membre de l'université Grenoble-Alpes), misent sur un « équipement exceptionnel » : une sonde atomique tomographique dernier cri.

Le 15 décembre 2022, Grenoble INP-UGA a annoncé le « premier projet français » d'acquisition d'un tel engin : une Leap 6000 XR commandée auprès la société française Cameca, filiale de l'entreprise américaine Ametek, accompagnée de la sonde ionique focalisée (ou « focus ion beam », FIB), pour préparer les échantillons de matériau à la dimension souhaitée (soit quelques dizaines de nanomètres). La Région Auvergne-Rhône-Alpes a financé ce projet, à hauteur de 4,2 millions d'euros, dans le cadre de son contrat de plan État-Région 2021-2027 (CEPR).

   
La sonde atomique tomographique Leap 6000 XR. © Cameca / Ametek
 
   
Cette sonde, dont l'installation est prévue en mai 2023, sera capable de déterminer, en quelques heures, la distribution spatiale de dix à cent millions d'atomes dans un matériau. En combinant des impulsions électriques à des impulsions laser de l'ordre de la femtoseconde (soit à la millionième de milliardième de seconde), elle applique un champ électrique à la surface du matériau qui « arrache les atomes un à un » en fonction de leur nature chimique, explique Alexis Deschamps, professeur au Simap et porteur de ce projet d'acquisition. Cette opération permet de connaître la position de chaque atome et de reconstituer en trois dimensions leur configuration dans le matériau. Elle illustre ainsi non seulement la composition exacte de ce dernier mais également, par conséquent, ses défauts.

Diagnostiquer un « empoisonnement » au recyclage

Forts de cette technologie, les chercheurs du Simap pourront bientôt poursuivre et améliorer leurs travaux de caractérisation du « taux d'empoisonnement » des métaux recyclés - des travaux déjà entamés, pour certains, avec le Groupe de physique des matériaux de l'université de Rouen ou encore l'Institut Max-Planck, en Allemagne. Cette notion de « poison », invoquée par Alexis Deschamps, relève de la nocivité mécanique ou thermique des défauts et impuretés accumulés par des métaux, comme l'aluminium, le fer et le cuivre, mélangés par mégarde lors de leur tri, puis de leur recyclage. « Déterminer le plus finement possible la structure de tels matériaux va nous permettre, d'une part, d'identifier la nature exacte de cet "empoisonnement" et, d'autre part, d'évaluer les limites acceptables de ces mélanges en termes de dégradation des propriétés et des performances. Cela s'avère indispensable pour agir ensuite sur les méthodes de recyclage mais également sur la réutilisation de ces matériaux en toute sécurité. »

Si la recherche sur les métaux recyclés semble prioritaire, le chercheur grenoblois ambitionne également d'utiliser cette sonde atomique tomographique dans d'autres buts, notamment concernant l'impact de l'hydrogène à l'échelle cristalline. « De la taille d'un proton, cet élément s'infiltre partout, jusque dans la structure des conduits métalliques qui le contiennent, rappelle Alexis Deschamps. Pour identifier des moyens d'améliorer leur durabilité, il nous faut étudier les dégâts causés par l'hydrogène à la plus petite échelle possible. »

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