Les supers-matériaux.

De la terre cuite à l'acier, en passant par le bois, l'Homme sédentaire cherche à améliorer son foyer, sa ville. Cette étude donne  un avant-goût des matériaux de demain qui constitueront nos bâtiments. A l'image des cathédrales qui ont bouleversé les normes de la hauteur des constructions du Moyen-Age, les bâtiments de demain culmineront à plusieurs kilomètres, et ce à l'aide des matériaux nouveaux. Prenons pour exemple le graphène, révolutionnaire dans le Génie Civil, et qui laisse entrevoir des bâtiments toujours plus hauts, toujours plus résistants. Là demeure notre objectif, vous faire découvrir des matériaux nouveaux en les appliquant à l'univers du Génie Civil.

Le graphène: matrice des bâtiments de demain ?

Le graphène a fait son entrée dans le monde scientifique en 2004, à Manchester, où il a été isolé pour la première fois. Ceci a valu un prix Nobel, en 2010, à Andre Geim et Konstantin Novoselov. Le graphène est un super matériau dans le sens où il a des propriétés physico-chimiques partagées avec d’autres matériaux, mais a un degrés d’efficacité beaucoup plus grand. 
       Le graphène est un cristal d’atomes de carbones 12 qui sont tous regroupés dans un même plan. C’est une sorte de feuillet de carbone, dont un gramme pourrait recouvrir l'équivalent d'un terrain de football. 
     Les nanotubes de carbone sont censés avoir une rigidité et une résistance axiale élevées grâce a leur liaison carbone-carbone sp2. L’application pratique des nanotubes nécessite l'étude de la réponse élastique, du comportement élastique, du flambement, du rendement la force à la rupture. Les nanotubes sont les fibres plus rigides connues, avec un module de Young de 1,4 Pa. Par effet de comparaison, le module de Young de l’acier est de 210 GPa (1 GPa=Pa) et du Kevlar est de l’ordre de 112 GPa.
　　L’autre paramètre important est la contrainte de rupture qui est la valeur maximale de contrainte que le matériau tient avant de se déformer ou de rompre. Alors que l’acier et le Kevlar possèdent des valeurs respectives de l’ordre de 400 Mpa et 3000 Mpa, (1 Mpa=10Pa) la contrainte de rupture des graphènes est de l’ordre de 1300000 MPa et celle des nanotubes de carbone peut varier de 11000 MPa à 63000 MPa selon le type, leur chiralité et le nombre de couches. On s’aperçoit que les graphènes et nanotubes de carbones sont des structures extrêmement résistances, mais le graphène surpasse ce que les ingénieurs du génie civil côtoient.　　
　　Les propriétés physiques présentées précédemment confèrent au graphène une résistance aux contraintes au moins cent fois supérieur que l’acier. Dans le Génie Civil, on pourrait donc imaginer des structures comme des bâtiments ou encore des grattes ciel en graphène. Ces bâtiments pourraient être résistants aux séismes, être beaucoup plus grands, ce qui rentrerait dans l’enjeu des protections de l’environnement : réduire l’impact de l’Homme sur les sols, et donc les paysages. 
　　De plus, le bâtiment pourrait être beaucoup plus léger, en raison de la faible densité du graphène comparé aux autres matériaux couramment utilisés dans le Génie Civil. Cette même propriété pourrait donner naissance un jour à des ponts, moins coteux, plus grands, préservés par les incroyables propriétés du graphène. Imaginez un pont Alaska-Sibérie, ou encore Afrique-Europe via le détroit de Gibraltar!
　　Certains scientifiques, dès la découverte du graphène, ont rêvé d’un ascenseur entre la Terre et la Lune. D’autres aspects nous semblent cependant plus intéressant: des villes entières restent à bâtir, comme en Afrique, ou en Inde. Le manque de pierre dans certaines partie du monde ont empêché le développement de structures résistantes. L’acheminement de graphène vers ces terres, dans lesquelles les populations souffrent dans des bidonvilles . Il faudra construire sur des superficies limitées afin de ne pas agrandir les zones urbaines et de détruire les écosystèmes voisins. Alors le graphène nous permet de rêver des des bâtiments, d’une surface au sol de 400 m² mais d’une hauteur de plusieurs milliers de mètres de haut. Des bâtiments solides, moins coûteux et utiles à l’homme, car il ne faut pas perdre de vu l’objectif du génie civil: suivre les progrès de l’humanité et en assurer le confort dans ses villes, ses déplacements, ses foyers.
　　Le graphène dispose aussi d’autres propriétés qui pourraient limiter son application dans le Génie Civil. Tout d’abord, les effets de tels nanotubes sont encore méconnus. Une certaine toxicité est envisageable, en effet, sous certaines conditions. Les nanotubes peuvent contaminer les cellules humaines environnantes, ce qui conduit à une mort de la cellule, ou pire, à une non-mort d’une cellule malade, soit cancérisation des tissus.
　　Les propriétés électriques du graphène pourraient entravé une mauvaise utilisation de ce matériaux. Imaginez un bâtiment de 2000 m de haut, conduisant encore mieux le courant electrique que le meilleur conducteur actuel.  Ces risques sont à prendre en compte, et à mesurer avant de mettre en place toutes infrastructures susceptibles d’atteindre à la vie d’un individu quelconque.


Sources: 

• Fonseca, Alexandre F. . Introdução às propriedades físicas e estruturais do grafeno e dos nanaotubos de carbono 2011 (Apostila - Mini-Curso).　
• RUOFF, Rodney S. Graphene Materials and Opportunities. Graphene the road to applications. [Powerpoint]. The University of Texas at Austin.

　　

''J'y vis et je l'éteins.''

Qu'est ce que la devise de François 1er, Roi de France, fait dans un article sur un super Matériau ? Le jeu de piste commence...

Emblème de François 1er ? Une salamandre.

Pourquoi un reptile ? Non, pourquoi CE reptile?

La salamandre serait née dans les flammes, et elle y survivraient.

La vigne aussi y résiste! Mais son vin devait être un bien meilleur aspect.

La salamandre, un super matériau ? Attention, scientifique oui, mais il y a maltraitance sur vertébrés, là !

Le feu, les flammes. Elles ont protégé l'espèce Humaine. L'homme a survécu grâce au foyer, dans sa caverne. Mais le feu fait des ravages, et l'Homme a toujours cherché à le maîtriser. N'existe-t-il pas plus fort que l'eau ? (oui, on n'a jamais trop été sûr de la résistance au feu d'une salamandre.)

Le starlite est un matériau visqueux, de couleur blanche, synthétisée à partir de 21 éléments différents. Environ 90 pourcent de matière organique le constitue, le reste étant inorganique. Des barrières naturelles, des céramiques... Bien que chimiste amateur, Maurice Ward (Angleterre) est l’inventeur de ce matériau... Hors du commun. Le problème majeur de ce matériau, c’est que seuls Maurice Ward et sa famille en connaissent le secret. Mais voilà... Maurice Ward est décédé en 2011, emportant dans sa tombe le secret de fabrication du starlite. Mais pourquoi pouvons-nous le qualifier de supermatériau ?! Fin du suspens. Ce liquide visqueux s’apparentant à du plâtre peut résister à des températures... De 10 000 degrés. Dans une vidéo publiée sur internet, on peut voir qu’une couche de starlite préserve un œuf de la cuisson (cliquez ici). Une flamme de chalumeau ne peut faire de ce malheureux œuf un oeuf à la coque si du starlite le protège. Magie ? 

Sûrement pas, mais les applications d’un tel matériau seraient extraordinaires. En dehors des rêves de la NASA, qui se bat pour obtenir la formule de cette potion magique, non pas Gauloise mais Anglaise, nous pouvons envisager un avenir prometteur du starlite dans le génie civil. Nous ne disons pas que se plonger à l’intérieur d’une étoile en fusion ne puisse pas être intéressant  mais l’enrobement des maisons, ou d’autres structures, par du starlite pourrait les protéger très efficacement et durablement des incendies les plus dévastateurs.

Les incendies urbains ne remontent pas forcément au temps de la Rome antique, ou encore de Londres; il n’est pas rare d’entendre parler de drames, aux informations, sur des personnes prisonnières des flammes. Le starlite est une solution envisageable pour préserver les populations de ces tragédies. Surtout quand on sait, par exemple, que l’acier ou le béton, constituant majoritaire de nos cités, résistent beaucoup moins aux flammes que le bois. Une structure faite de béton armé s’effondra plus rapidement qu’une structure en bois sous l’effet des flammes; c’est pourquoi d’ailleurs tout les bâtiments destinés à recevoir un très grand nombre de personnes, telles que les salles de spectacles, les musées..., où les issues de secours sont rares, doivent obligatoirement être faites en bois ( en France.)

Alors, pour la protection de nos villes, et des vies des personnes vivant en immeuble (où les morts dues aux flammes sont 90 fois plus fréquentes que dans des maisons individuelles), des revêtements en starlite, autour d’issue de secours pourraient être salutaires.


Sources: 

• Nick Kennedy. THE SECRET LIFE OF STARLITE. In  : I,Science [en ligne], 25 novembre 2013, 01/05/14 .Disponible sur: http://www.isciencemag.co.uk/features/the-secret-life-of-starlite/
• Maurice Ward. Maurice Ward The Inventor of Starlite (and a fair few other things as well). Disponible sur: http://mauricewardstarlite.blogspot.fr/2009_03_01_archive.html
• La Salamandre, 28/04/14. Disponible sur: http://hymenopterius.chez.com/salamandre.htm. 

Du minéral au matériau.

Penchons nous à présent à un aspect essentiel de notre civilisation: l'énergie.

Même si la création d'énergie, électrique par exemple, s'éloigne un peu du génie civil, l'utilisation de matériau capable d'en produire, dans la construction de bâtiment relie ces deux mondes.

Dans son besoin vital de protéger la planète, l'environnement, l'Homme doit à présent (il aurait peut-être du commencer il y a bien longtemps) songer à un mode de vie le moins nuisant possible pour la planète.

Est alors apparu le concept d'énergie renouvelable. Une énergie propre, facile à produire, à mettre en place, qui pollue le moins possible. Le vent, la mer, la terre, mais aussi... Le soleil.

Les panneaux solaires, faits de cellule photovoltaïques, sont à même de capter l’énergie solaire et de la transformer en énergie électrique. Nous utilisons tous, aujourd'hui, de l’électricité, quelque soit le domaine. En théorie, un panneau solaire de 120 000 kilomètre carré pourrait couvrir les besoins annuels mondiaux en électricité. Ou encore 5410 kilomètres carré, pour la France. Tout ça bien entendu en prenant en compte le rendement des centrales solaires qui varie entre 15 et 17 pourcent.

Les panneaux solaires apparaissent de plus en plus sur nos toits, là où les surfaces sont planes, rectilignes, ou sur d'immenses plateaux déserts, comme on peut en trouver dans le Nevada (EU), ou encore au Maroc. Mais nous, étudiant en Génie Civil, nous voyons plus loin: pourquoi pas des buildings entier, en panneaux solaires ?!

C'est là que notre minéral, bientôt votre minéral vedette entre en jeu, le pérovskite.

La pérovskite, ou Titanate de Calcium, observée pour la première fois par le géologue Allemand Gustav Rose, en 1839, ne nous a pas livré tout ses secrets. Si hier les panneaux solaires étaient à base de silice, pour un rendement un peu inférieur, la pérovskite pourrait bientôt couvrir les façades de nos immeubles, de nos grattes-ciels.  En seulement 18 mois de recherches, une équipe menée par Henry Snaith  à Oxford et une autre menée par Andrew Rappe en Pennsylvanie ont pu mettre au points des cellules photovoltaïques atteignant un rendement de 16 pourcent.  Jusque là, on n'y voit rien de ''trop exceptionnel''.

Puis les scientifiques ont découvert que par l'ajout de différents atomes, la pérovskite pouvait changer de couleur. Bleu, Orange, Rougeâtre ou encore... Ah ben non, ce n'est pas une couleur: Transparent! Une vitre électrique, mais pas comme sur votre voiture! Non, une vitre, une fenêtre productrice d’énergie, par l'ajout de cellules photovoltaïques à base de pérovskite. Et, pour donner encore plus d'idées à des étudiants en génie civil comme nous, les couches de pérovskite utilisées présenteraient une certaine malléabilité. On pourrait donc leur donner la forme souhaitée, en accord avec les plans architecturaux d'un immeuble de 2000 mètres de haut, fait de graphène par exemple!

Un autre avantage à l'utilisation de la Pérovskite serait sont coût, bien oins inférieur à ceux du silicium utilisé dans les panneaux solaires actuels.


Sources:

• Wikipedia. Pérovskite.http://pt.wikipedia.org/wiki/Perovskita. [Accédé 21/04/2014].
• JOHNSSON, Mats et LEMMENS, Peter. «Crystallography and Chemistry of Perovskites». Disponible sur: http://arxiv.org/ftp/cond-mat/papers/0506/0506606.pdf.   Pages 1-11.

Les matériaux à changement de phase.

                Une phase correspond à un état dans lequel une structure moléculaire se trouve; cet état peut changer en fonction des conditions extérieures, à noter la pression, la température...
Toutes les molécules possèdent des états différents en fonction de ces conditions: ainsi, à une pression de 1 bar, l'eau liquide devient glace en dessous de 0 degrés Celsius, et vapeur au-delà de 100 degrés Celsius. Lorsque ces molécules font partie intégrantes d'une structure composée d'autre molécule, ce changement d'état peut engendrer des modifications des propriétés mécaniques ou physiques de l'ensemble; c'est ainsi, par exemple, que le cholestérol de la membrane des cellules humaines permet à froid d'éviter que la membrane devient cassante, et à chaud, que le membrane ne devienne trop fluide et donc inutile ( source: Cours de prépa-BCPST).
Comme nous pouvons le voir sur le site technique-ingénieur,  des scientifiques ont pensé à impliquer ces processus dans les isolations des bâtiments de demain. Non, pas en utilisant le cholestérol, mais en intégrant aux constituants des isolants des polymères, tels que le polymère composite de Paraffine/Polyéthylène. Pour faire simple, ces composites, agglomérés en micro-billes, et placés dans les matériaux courant du bâtiments ( béton, plâtre, mortier...)  passeraient de l'état solide à liquide sous l'effet de la chaleur diurne; cette fusion provoquerait une absorption d'une partie de la chaleur diurne ( ensoleillement, effet de l'Homme...) et un rafraîchissement des pièces d'une habitation, par exemple. La nuit, la baisse de température provoquerait une solidification des particules,  ce qui entraîne une restitution de l'énergie accumulée lors de la fusion. Et cette énergie est restituée sous forme de chaleur, réchauffant alors l'habitat. Ecologique, Economique, même si nous sommes bien loin des rêves inspirés par le graphène, c'est sûrement une famille entière de super matériaux qui s'apprête à conquérir les marchés de l'isolation des bâtiments. Et, si nous intégrions ces mêmes billes à l'intérieur des routes, noires, brûlantes en été, glacées en hiver ? Non pas pour réchauffer la Terre pendant la nuit, mais pour, peut-être, réchauffer des fluides qui pourraient, via des canalisations, réchauffer les habitations environnantes.



Source:

• Claire VILASI. Matériau à changement de phase, Ville et Aménagement Durable . Juillet 2009

La Paraffine; les bougies qui éclairent les solutions des surconsommations d'électricité

    En dépit d'être déjà un matériau connu, la propriété de la paraffine d’absorber ou de libérer une grande quantité de chaleur latente au cours de leur changement de phase du liquide au solide ou vice versa, peut nous servir para avancer dans le domaine de bâtiments plus économiques . Ce changement de phase se fait au-delà d’une certaine température caractéristique de chaque type de matériau. En sachant que il y a 3 types de matériaux sont utilisés pour le changement de phase solide-liquide : la paraffine (organique), les acides gras (organique) et les hydrates salins (inorganique).

   Parmi les trois matériaux, la paraffine est la plus courante car les hydrates salins présentent certains risques pour leurs toxicité et mauvaise transition de phase. 

   La découverte récente des manières pour appliquer aux bâtiments (encapsulants) a permis de les intégrer dans les murs, dalles du sol et plafonds. L'écrêtage de l'ordre 3°C à 5°C les températures extrêmes, améliore le confort et réduit la limitation d'utilisation d'un système de rafraîchissement. Il est aussi possible de mettre en oeuvre les MCP dans les bâtiments en couplant ce système avec une lame d’air ventilée, ce qui permettrait de contrôler le changement de phase.

   Avec un investissement d'environ 50 € / m² (source CSTB, 2007) et n'exigeant pas de compétences particulières (facile à mettre en oeuvre), les bâtiments peuvent profiter d'un rafraîchissement de 20% et  d'une diminution des besoins de chauffage de 10%, plus l'amélioration du confort (notamment l'été).

Source:

• VILASI Claire. Matériau à changement de phase, Ville et Aménagement Durable . Juillet 2009.