Les sels liquides apportent de la poussée

Apr 02, 2023

Les scientifiques ont découvert les premiers liquides piézoélectriques connus, capables de convertir une force mécanique en charge électrique, et vice versa. La nature généralement respectueuse de l'environnement de ces matériaux suggère qu'ils peuvent trouver de nombreuses applications au-delà des composés piézoélectriques standard, tels que de nouvelles optiques et hydrauliques à commande électrique. Cependant, il reste beaucoup d'inconnues sur leur fonctionnement, et donc sur leurs capacités.

La piézoélectricité a été découverte pour la première fois en 1880. L'effet a depuis trouvé un large éventail d'applications, notamment les haut-parleurs de téléphones portables, les imprimantes à jet d'encre, l'imagerie par ultrasons, les équipements de sonar, les capteurs de pression, les micros de guitare acoustique et les injecteurs de carburant diesel.

Jusqu'à présent, tous les matériaux piézoélectriques connus étaient solides. Aujourd'hui, les scientifiques ont découvert pour la première fois des liquides piézoélectriques. Ils ont détaillé leurs découvertes dans une étude en ligne le 9 mars dans le Journal of Physical Chemistry Letters.

"L'optique à commande électrique est faisable, simplement sur la base de ce que nous savons maintenant." - Gary Blanchard, Michigan State University

Les chercheurs ont expérimenté des liquides ioniques. Ces fluides sont des sels - des composés constitués chacun à la fois d'un cation chargé positivement et d'un anion chargé négativement - qui sont liquides à des températures inhabituellement basses. En comparaison, le sel de table fond à environ 800 ºC.

"Ils sont souvent relativement visqueux - pensez-y comme de l'huile de moteur ou du sirop d'érable", explique Gary Blanchard, l'un des auteurs de l'étude et professeur de chimie à la Michigan State University, à East Lansing.

Blanchard dit que l'équipe menait des expériences standard conçues pour mieux comprendre les propriétés de base des sels à l'état liquide (également appelés liquides ioniques). L'équipe a découvert que deux liquides ioniques à température ambiante différents généraient chacun de l'électricité lorsqu'un piston les pressait dans un cylindre. La force de l'effet observé par les chercheurs était directement proportionnelle à la force appliquée.

"Cela nous a choqués de voir cela", a déclaré Blanchard. "Personne n'avait jamais vu l'effet piézoélectrique dans les liquides auparavant."

Blanchard et ses collègues ont découvert que les propriétés optiques de ces liquides ioniques pouvaient changer considérablement en réponse au courant électrique. Par exemple, lorsque les chercheurs ont placé ces fluides dans un récipient en forme de lentille, ils ont découvert qu'une charge électrique pouvait modifier la mesure dans laquelle les liquides déviaient la lumière, "modifiant la distance focale de la lentille", explique Blanchard.

Il reste incertain quelles applications les liquides piézoélectriques pourraient avoir. À tout le moins, les propriétés optiques changeantes de ces fluides suggèrent que "l'optique contrôlée électriquement est faisable, simplement sur la base de ce que nous savons maintenant", déclare Blanchard.

Si l'électricité fait changer de dimension les liquides piézoélectriques tout comme les solides piézoélectriques, "on pourrait imaginer un nouveau domaine de la piézo-hydraulique", ajoute Blanchard.

"On ne penserait presque jamais à rechercher une réponse piézoélectrique à partir d'un liquide. Le fait que nous en ayons trouvé une dans un liquide a donc été une véritable surprise."—Gary Blanchard, Michigan State University

De plus, de nombreux solides piézoélectriques peuvent présenter des risques pour l'environnement. Par exemple, la céramique piézoélectrique la plus couramment utilisée, le PZT, contient du plomb. En revanche, les liquides ioniques à température ambiante sont généralement beaucoup plus recyclables et respectueux de l'environnement que de nombreux matériaux piézoélectriques courants, selon les chercheurs.

De plus, la création de composants piézoélectriques aux formes et tailles souhaitées peut s'avérer difficile. En revanche, les liquides piézoélectriques pourraient offrir un plus large éventail d'opportunités de conception, dit Blanchard.

Lorsqu'il s'agit de comprendre comment la piézoélectricité se produit, des recherches antérieures ont montré que l'effet se produit dans les solides lorsqu'une force mécanique déforme leurs structures, ce qui déplace les charges électriques en leur sein. A l'inverse, une charge électrique appliquée à ces matériaux déforme leurs structures.

"Ces deux choses nécessitent une organisation substantielle au sein d'un matériau", déclare Blanchard. L'hypothèse de base avec les liquides est qu'il n'y a pas d'ordre persistant dans ces matériaux. En conséquence, on ne penserait presque jamais à rechercher une réponse piézoélectrique d'un liquide. Le fait que nous en ayons trouvé un dans un liquide a donc été une vraie surprise."

Les chercheurs soupçonnent que l'application d'une force mécanique contre des liquides ioniques peut entraîner la séparation de charges électriques dans ces fluides, générant un courant électrique. Cependant, "nous sommes toujours en train d'essayer de comprendre les mécanismes fondamentaux sous-jacents à la façon dont la piézoélectricité peut se produire dans les liquides", déclare Blanchard. "Nous avons rencontré un effet qui défie une simple explication théorique."

L'effet piézoélectrique observé dans ces liquides ioniques à température ambiante était à peu près d'un ordre de grandeur inférieur à celui observé dans le quartz, un matériau piézoélectrique largement utilisé. Cependant, "nous n'avons aucune idée s'il existe d'autres liquides ioniques qui pourraient avoir un effet plus important", déclare Blanchard.

Beaucoup reste inconnu sur les liquides piézoélectriques, par exemple s'il existe des moyens de modifier ces fluides pour améliorer la force ou la vitesse de leurs effets piézoélectriques. On ne sait pas non plus comment la charge électrique se déplace dans ces fluides - par la lente diffusion d'ions chargés électriquement à travers l'espace, ou l'échange plus rapide de charge électrique entre les molécules, un peu comme la façon dont l'électricité se déplace dans les fils.

"Nous sommes en territoire inconnu", déclare Blanchard. "Une fois que nous pourrons mieux comprendre les mécanismes derrière la façon dont cette famille de matériaux fait ce qu'elle fait, nous aurions alors une bien meilleure idée de ce qu'elle pourrait être capable de faire et des applications pour lesquelles elle pourrait être utile."