S'inscrire identifiants oubliés ?

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient beaucoup plus lourds. Pas étonnant que cette invention ait fait l’objet du prix Nobel de chimie 2019, décerné à parts égales à John Goodenough (Américain, 97 ans), Stanley Whittingham (Britannique, 78 ans), Akira Yoshino (Japonais, 71 ans).

Une pile est toujours composée de deux bornes, les électrodes, constituées de matériaux différents. Dans les grandes lignes, voici comment fonctionne une pile. Le matériau employé à la borne négative - appelée anode - perd des électrons et produit ainsi des ions positifs, des cations : il y a oxydation. Electrons et cations se précipitent alors par deux chemins différents vers l’autre borne, celle qui est positive - appelée cathode - où ils se rejoignent. Tandis que les cations y vont par l’intérieur de la pile en traversant un liquide, un milieu pâteux, les électrons passent par le circuit extérieur et alimentent le dispositif électrique.  A la cathode, les cations récupèrent ainsi leurs électrons : il y a réduction. Bien entendu, l’aptitude des deux matériaux à céder des électrons doit être différente, afin que l’un en cède et l’autre en récolte. Cette aptitude, appelée aussi potentiel, est mesurée en volts. Plus l’écart des aptitudes est important, plus la différence de potentiel ou ddp est grande, et plus la pile possède un « voltage » élevé.

Dans le tableau périodique des éléments, le meilleur donneur est justement… le lithium qui, de plus, a le gros avantage d’être très peu dense (0,5 g/cm3). Une pile avec une anode en lithium peut donc être très légère. Malheureusement, le lithium pur, métallique, s’oxyde très facilement et peut s’enflammer voire exploser au contact de l’eau. Grâce aux recherches menées au cours des années 1970 et 1980, les premières batteries sûres au lithium voient le jour en 1991 et commencent à équiper l’électronique portable. Généralement, à l’anode, les atomes de lithium sont intercalés (insérés) dans du carbone et lors de l’usage de la pile, les cations lithium ayant quitté le carbone migrent à travers un polymère avant de s’insérer à la cathode, constituée d’oxyde de cobalt. Dans une telle configuration, la ddp peut atteindre 3 voire 4 volts. Lors de la charge, c’est le processus inverse qui a lieu.
Même si le prix Nobel de cette année vient couronner cette invention, le lithium n’a pas dit son dernier mot. En effet, un gros progrès serait réalisé lorsqu'aura été mis au point une batterie sûre avec du lithium pur à l’anode et pourquoi pas avec du fluor, qui est le meilleur receveur, à la cathode. Des prix Nobel à venir…

» lire tous les articles 1 2 3 4 5 6 7 8
sciences en ligne
exploratheque
du premier stage au premier emploi


Le verre se met au vert
Les contraintes environnementales représentent un défi qui pousse l'industrie du verre à innover

Production du verre - Domaine public

Le verre, un matériau traditionnel innovant

La production du verre est une activité millénaire, d’abord artisanale, puis industrielle. S’il existe différents types de verres qui se distinguent par leurs compositions, leurs formes, leurs propriétés, un de leurs points communs est d'avoir un procédé de fabrication très énergivore.

En effet, dans tous les segments de l’industrie verrière (verre plat, verre creux, verres techniques, etc.), la première étape de production du verre consiste dans la fusion, à une température d'environ 1 000°C d’un mélange dit « vitrifiable », constitué de silice et de fondants comprenant principalement des alcalins (sodium, calcium)  (70 % de silice, 15 % d'oxydes de sodium, 10 d'oxyde de calcium plus d'autres additifs minoritaires dans les verres silicosodocalciques tel le verre à bouteille). Cette première étape requiert une grande quantité d’énergie. Elle est suivie par différentes opérations qui nécessitent d'augmenter encore la température au-delà de 1 400°C pour réaliser « l'affinage » (élimination des bulles gazeuses).  Les opérations restantes servent à préparer le verre à son formage, puis au traitement de surface, et au parachèvement, etc. Ces procédés sont maîtrisés par des entreprises parfois très anciennes, qui innovent en permanence pour apporter à ce matériau toujours plus de fonctionnalités, à des coûts maîtrisés. Par exemple, des dépôts multicouches à la surface du verre rendent les vitrages « intelligents » : ils répondent à une sollicitation extérieure, comme c’est le cas pour les vitrages électrochromes dont la transmission lumineuse peut être contrôlée électroniquement.

Défis environnementaux et innovations

Aujourd’hui, l’un des défis majeur du secteur verrier est de diminuer sa consommation énergétique et ses impacts environnementaux, sous la pression des législations et des normes parfois encore plus exigeantes que fixent les acheteurs industriels. D’autant que l’empreinte carbone du verre est liée non seulement à la combustion de combustibles fossiles nécessaire à l’étape de fusion, mais aussi aux émissions de CO2 dues au procédé lui-même (schématiquement : SiO2 + CaCO3 +Na2CO3 -> SiO2.CaO.Na2O + CO2). A 1400 °C, ces émissions s’élèvent à environ 200 kg de CO2 par tonne de verre. L’intégration de 25 à 30 % de calcin issu du recyclage du verre, tend à diminuer l’empreinte carbone des verres recyclés.

De nombreuses pistes d’innovation sont explorées actuellement pour réduire l’empreinte environnementale des procédés verriers : par exemple la mise au point de capteurs permettant un meilleur suivi de la combustion dans les fours, plus généralement l’amélioration du rendement de ces fours, la filtration des émissions, l’ajustement de la composition du mélange vitrifiable visant à faire diminuer la température de fusion (tout en respectant bien sûr les contraintes de qualité), etc.. Déjà employé dans certains procédés verriers, le four électrique fait l’objet de recherches, même si le gaz semble avoir de beaux jours devant lui, quitte à ce qu’il soit du biogaz.

La chimie, la thermodynamique, le génie thermique et le génie des procédés, ainsi que la simulation sont mises à contribution pour tenter d’apporter une réponse technique à ces enjeux industriels. L’augmentation du prix du carbone, lequel traduit d’un point de vue économique l'impact environnemental que représentent les émissions de gaz à effet de serre, devrait jouer un rôle incitatif dans cette tendance de fond dans laquelle les industriels s'engagent.

Publié le 21/01/2019

Librement inspiré par une matinée de conférences à Mines ParisTech organisée par USTV et Carats Innovation. En remerciant Dr Franck Pigeonneau pour ses conseils.

En savoir plus
Le portail de l'industrie du verre http://www.verreonline.fr/index.php

La rédaction de Sciences en ligne
Twitter Facebook Google Plus Linkedin email
Entrées associées