« Grâce aux micro-aimants, nous réduirons le néodyme présent dans les aimants haute performance », avance la médaillée de l’innovation Nora Dempsey
Les médailles de l'innovation CNRS 2020 et 2021 sont remises jeudi 18 novembre par la ministre de l'Enseignement supérieur Frédérique Vidal et le PDG du CNRS Antoine Petit. Pour l'occasion, Industrie & Technologies a choisi d'interviewer la lauréate Nora Dempsey, dont les travaux sur les micro-aimants s'attaquent à l'un des enjeux matériaux forts de la transition énergétique : la dépendance au néodyme.
Micro-aimant, maxi médaille. La cérémonie de remise des médailles de l’innovation 2020 et 2021 du CNRS se déroule jeudi 18 novembre à la Maison de la Chimie (Paris), en présence de Frédérique Vidal, la ministre de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation et d’Antoine Petit, le PDG du CNRS. Parmi les lauréats, la chercheuse Nora Dempsey a été récompensée pour ses recherches sur les micro-aimants. Ses innovations pourraient permettre de réduire la quantité de néodyme, un matériau critique, requise pour la confection d’aimants hautes performances. Entretien avec cette passionnée de science.
Industrie & Technologies : Quelles sont les visées de vos recherches sur les micro-aimants ?
Nora Dempsey : Les aimants hautes performances sont un composant clef pour mener à bien la transition énergétique : nous les retrouvons sous leur forme massive dans les moteurs électriques de voitures (plusieurs kilos sont nécessaires !) ou dans les génératrices des éoliennes par exemple. Le problème, c’est qu’ils sont composés de fer, de bore et de... néodyme, l’une des terres rares les plus critiques. Réduire la quantité de néodyme est un enjeu important pour l’industrie. Nous collaborons d’ailleurs avec Toyota depuis 2007 pour guider le développement d’aimants massifs moins dépendants de terres rares critiques.
Pour cela, nous travaillons à l’échelle du micro-aimant pour tenter de réduire la part de néodyme nécessaire tout en conservant une haute performance. Car les micro-aimants se distinguent des aimants dits « massifs » par leur taille. Nous les fabriquons en laboratoire via une technique de dépôt de couche mince pour qu'ils mesurent une centaine de nanomètres voire quelques microns (un microscope électronique est requis pour les observer).
Par quels matériaux remplacez-vous le néodyme ?
Il y aura toujours besoin de néodyme, mais nous tentons d’en substituer une partie par du cérium et du lanthane. Ces deux matériaux ont été sélectionnés parce qu’ils appartiennent à la famille des terres rares. Les aimants hautes performances sont en effet dotés d’une structure cristallographique très spécifique (2 atomes de néodyme, 4 atomes de fer et 1 atome de bore) : seuls d’autres terres rares pouvaient remplacer le néodyme.
De plus, comme il n’est pas possible d’ouvrir une mine pour extraire uniquement du néodyme – les autres terres rares sont mêlées à cette extraction –, nous nous sommes concentrés sur des terres rares sous-utilisées, à savoir le lanthane et le cérium.
Comment savoir quelle composition néodyme-lanthane-cérium serait la plus optimale ?
Deux innovations nous permettent de répondre à cette question. Premièrement, nous avons développé un procédé très efficace de dépôt en couches minces qui nous permet de faire varier les compositions, donc les microstructures, sur une même surface. Cette technique nous évite de préparer un échantillon différent à chaque composition qu’on souhaite caractériser.
En principe, la caractérisation d’un aimant massif à haut champ coercitif [l'intensité de champ magnétique pour basculer l'aimantation, ndlr] requiert une bobine supraconductrice qu’il faut refroidir à l'hélium liquide pour créer des champs magnétiques très forts (entre 5 et 6 Tesla), l’infrastructure est assez lourde (et chère). Alors nous avons développé un outil innovant pour caractériser magnétiquement le matériau à partir de courant pulsé. Nous utilisons de petites bobines de cuivre dans lesquelles nous faisons passer un courant très fort, qui ne sera pas continu mais pulsé. Comme la pulsation est courte (de l’ordre de la microseconde), le cuivre ne fond pas et nous pouvons créer un champ assez fort (jusqu'à 10 Tesla). Nous parvenons ainsi à mesurer les propriétés de toute la surface à analyser en très peu de temps (deux-trois heures).
Quelles sont les prochaines étapes de vos recherches ?
Notre rêve serait désormais de créer une startup pour valoriser nos micro-aimants dans des microsystèmes (MEMS), comme des petits capteurs. Pour l’instant, ces microsystèmes utilisent des aimants massifs, qui sont taillés pour atteindre une taille comprise entre 0,5 et 1 millimètre. Avec nos micro-aimants, nous éviterions la perte de matériau et proposerions un micro-aimant intégré au système. Nous sommes en train de chercher notre CEO et espérons pouvoir lancer la création de l’entreprise au cours de l’année à venir !
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