La science des matériaux annonce un changement substantiel de la composition des produits de demain. Silicium, matériaux composites, titane, verre tactile. Autant de matériaux révolutionnaires parmi d’autres qui ont favorisé l’apparition des produits les plus visionnaires de notre temps, tels que les fuselages en matériaux composites ou les téléphones portables dotés des capacités d’un ordinateur. Que nous réservent les matériaux innovants de demain ? Les experts mondiaux soulignent trois tendances majeures en 2013 : les biomatériaux, les matériaux offrant de nouvelles fonctionnalités, et les matériaux destinés à la construction de véhicules légers.
LA SECONDE VIE DES CHAMPIGNONS
Les matériaux d’origine biologique ont dominé la recherche pendant une dizaine d’années. La multinationale 3M, célèbre pour ses adhésifs, a récemment investi dans une start-up – Ecovative Design – qui propose une alternative aux mousses pétrochimiques en utilisant des mycéliums, ou « racines de champignons », comme colle naturelle. « Le concept d’Ecovative permettra de renforcer la place qu’occupe 3M dans le développement des technologies polymères durables », explique Stefan Gabriel, président de 3M New Ventures. « Cette technologie révolutionnaire peut changer la donne dans de nombreuses industries, dont l’automobile, la construction et l’architecture. »
Ecovative a lancé une gamme d’emballage appelée EcoCradle, conçue à partir de spores de champignons. La société compte parmi ses clients des grandes entreprises internationales comme Steelcase et Dell, qui ont remplacé leurs emballages en plastique par ce matériau écologique et rentable. « L’EcoCradle est cultivé à partir de sous-produits agricoles selon un procédé beaucoup moins énergivore que ceux existants », déclare le directeur d’Ecovative, Jerry Weinstein. « Il est aussi performant que les mousses traditionnelles, et est compostable à domicile. »
« Le traitement écologique des matériaux et les nouveaux concepts sont au cœur des préoccupations des chercheurs. »
DR Sascha Peters
PDG, Haute Innovation
DE L’ÉNERGIE FAÇON POPEYE
L’université Vanderbilt, à Nashville, Tenessee (USA), met actuellement au point un autre matériau d’origine biologique et utilise des protéines d’épinard pour créer des cellules photovoltaïques, ce qui ferait la fierté de Popeye le marin.
Les plantes transforment la lumière du soleil en énergie grâce au processus de photosynthèse. Et si les cellules solaires hybrides créées selon ce processus ne permettent pas (encore) de produire de l’énergie avec autant d’efficacité que les éléments photovoltaïques conventionnels, les chercheurs de l’université Vanderbilt espèrent créer une cellule voltaïque commercialement viable d’ici trois ans.
D’autre part, l’Institut de Science des Matériaux de l’université de Stuttgart en Allemagne produit des céramiques de haute performance qui imite la synthèse des coquillages et des algues. Ce procédé de bio-minéralisation permet de fabriquer des composants en céramique utilisés dans les dispositifs à haute densité fonctionnelle, dont l’électronique et les équipements médicaux. « La bio-minéralisation confère de nouvelles qualités à la céramique de haute performance et est bien plus respectueuse de l’environnement que les matériaux produits de manière conventionnelle », explique Joachim Bill, professeur à l’Institut de Science des Matériaux à l’Université de Stuttgart et spécialiste de la céramique depuis une dizaine d’années.
LA GESTION DU RECYCLAGE
La responsabilité environnementale est l’un des facteurs moteurs de nombreux projets de recherche sur les biomatériaux. Le Dr Sascha Peters, PDG de Haute Innovation, cabinet de conseil dans le secteur de la recherche sur les matériaux, estime que les bio-polymères – des matériaux synthétiques conçus à partir de sources renouvelables et biodégradables – domineront bientôt la recherche. « Le caractère limité des ressources fossiles place le traitement écologique des matériaux et les nouveaux concepts au cœur des préoccupations des chercheurs », affirme Sascha Peters.
Mais l’idée que « bio » est synonyme d’« écolo » ne fait pas consensus. Karsten Bleymehl, directeur du département Library and Materials Research chez Material Connection, une entreprise internationale spécialisée dans le conseil en recherche des matériaux, s’inquiète des dangers de cette équation. « Il faut s’intéresser au cycle complet du matériau, pas seulement à sa production. » Selon lui, les emballages fabriqués à partir de déchets présentent un potentiel plus prometteur.
Pour Karsten Bleymehl, conférer de nouvelles fonctionnalités aux matériaux traditionnels afin d’élargir leur champ d’application est la deuxième grande tendance, tout aussi importante que les biomatériaux.
DES SURFACES INTELLIGENTES
Le béton offre de nombreuses fonctionnalités potentielles. Apprécié pour sa résistance à la pression et sa durabilité, ce matériau est également connu pour sa rigidité… jusqu’à aujourd’hui. On peut désormais se procurer des rouleaux souples de béton auprès de la société de textile américaine Milliken, qui a racheté le fournisseur initial Concrete Canvas Ltd. lorsque celui-ci était encore une start-up. Le nouveau produit est un tissu flexible imprégné de ciment. Exposé à l’humidité, le tissu durcit pour former une fine couche résistante de béton imperméable à l’eau et au feu.
« Il suffit d’ajouter de l’eau », explique William Crawford, co-inventeur du matériau avec Peter Brewin, lorsqu’ils étaient étudiants en ingénierie au Royal College of Art de Londres. Doublé d’une couche intérieure de plastique gonflable avec un ventilateur électrique pour créer la forme de la structure jusqu’à ce que le béton durcisse, le nouveau matériau est essentiellement utilisé dans les bâtiments en béton du secteur militaire. L’abri protège contre les éclats d’obus, les explosions et les tirs d’armes légères.
Les propriétés positives du béton ont également inspiré la création d’un matériau d’un genre nouveau : le BlingCrete. Ce béton pourvu d’une surface réfléchissante est fabriqué à partir de microbilles de verre incorporées dans le substrat. Les microbilles réfléchissent les rayons lumineux directement vers la source de lumière, créant ainsi une illusion tridimensionnelle sur des surfaces bidimensionnelles.
Le BlingCrete peut être utilisé notamment dans le domaine de la construction pour signaler les zones à risque. Il peut également servir dans la conception de systèmes de guidage intégrés et de nouveaux composants de surface, dont des façades, des sols et des plafonds. Ce matériau innovant a récemment valu à son fabricant Hering International, basé à Burbach en Allemagne, le DesignPlus Award du German Design Council. Le jury s’est montré particulièrement impressionné par la capacité de modulation du béton.
DES AUTOMOBILES PLUS LÉGÈRES
Les efforts déployés pour concevoir des matériaux ultralégers dans le domaine de la construction automobile constituent la troisième tendance majeure, également motivée par une conscience environnementale. Tandis que les composites renforcés de fibres sont utilisés dans les carrosseries de voitures sportives et de luxe depuis de nombreuses années, les chercheurs s’emploient désormais à élargir la gamme de matériaux légers.
Parmi les matériaux d’avenir, on peut citer la mousse d’aluminium. Extrêmement légère, cette mousse étouffe le bruit et absorbe l’énergie cinétique des chocs. Son inventeur est Joachim Baumeister, de Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM) basé à Brême, en Allemagne. La mousse est fabriquée à partir d’un mélange d’aluminium en poudre et d’un agent moussant – généralement de l’hydrure de titane –d’abord compressé puis expansé en le chauffant à sa température de fusion. La mousse a notamment été utilisée pour la première fois dans les filets à bagages de l’Audi Q7, où l’aluminium permet de ralentir le mouvement des bagages vers l’avant de la voiture lors d’un accident.
Outre les pièces automobiles, la mousse d’aluminium peut être utilisée dans la conception d’autres objets manufacturés. Ainsi, les plateformes élévatrices mobiles et les véhicules ferroviaires peuvent tirer parti de son pouvoir d’amortissement.
« Dans le cas où une grande rigidité et une absorption d’énergie sont capitales, il est généralement logique d’utiliser ce matériau », explique Joachim Baumeister. « La faible conductivité thermique est une autre caractéristique de la mousse métallique. Elle constitue donc un isolant idéal. » Par la transformation des propriétés d’éléments connus et l’utilisation de substances organiques à de nouvelles fins, la science des matériaux repousse les limites du possible et ouvre la porte à l’innovation produit.
