La respiration d'un cristal : une révolution pour l'énergie et l'électronique

La respiration d'un cristal : une révolution pour l'énergie et l'électronique

Auteurs : J. Lee, Y.-S. Seo, H. Jeen, et al.
Date de publication : 15 août 2025
Journal : 

Résumé de l'Étude

Une équipe de scientifiques a découvert qu'un oxyde métallique, le SrFe₀.₅Co₀.₅O₂.₅ (SFCO), possède une capacité extraordinaire : il peut "respirer" de l'oxygène de manière réversible, comme des poumons, et à des températures relativement basses. Cette propriété remarquable, qui s'opère sans altérer la structure du matériau, ouvre la voie à une nouvelle génération de matériaux "intelligents" pour l'énergie propre et l'électronique.

Comme le résume le Pr. Hyoungjeen Jeen, l'un des auteurs principaux :
"C'est comme donner des poumons au cristal ; il peut inhaler et exhaler de l'oxygène sur commande." Le Pr. Hiromichi Ohta ajoute que cela représente "un pas majeur vers la réalisation de matériaux intelligents qui peuvent s'ajuster en temps réel" 

Contexte Scientifique

Les oxydes de métaux de transition sont des matériaux cruciaux pour de nombreuses technologies modernes (électronique, stockage d'énergie, catalyse). Leur secret réside dans le fait que leurs propriétés (conductivité électrique, magnétisme, transparence) peuvent être modulées en contrôlant leur teneur en oxygène. En ajoutant ou en retirant des atomes d'oxygène (en créant des lacunes d'oxygène), on peut littéralement "reprogrammer" le matériau.
Cependant, ce processus est souvent destructeur, irréversible, ou nécessite des conditions extrêmes (très hautes températures). La quête d'un matériau stable et réversible à basse température était donc un graal dans ce domaine.

Question Principale et Méthodologie

Les chercheurs ont voulu comprendre comment le SFCO, un oxyde au structure pérovskite contenant deux métaux (Fer et Cobalt), se comporte dans un environnement pauvre en oxygène (ici, une atmosphère contenant 3% d'hydrogène). Ils ont utilisé des techniques de pointe pour l'étudier :
    •    Diffraction des Rayons X (XRD) : Pour observer les changements dans l'arrangement des atomes.
    •    Spectroscopie d'Absorption des Rayons X (XAS) : Pour déterminer l'état d'oxydation (la "charge électrique") des atomes de Fer et de Cobalt individuellement.
    •    Microscopie Électronique (HAADF-STEM) : Pour visualiser les atomes directement.
    •    Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) : Pour modéliser et confirmer théoriquement les observations expérimentales.

Découvertes Clés


    1    Réduction Sélective et Élément-Spécifique :

C'est la découverte la plus surprenante. Lorsqu'on chauffe le SFCO, seuls les atomes de Cobalt réagissent et voient leur état d'oxydation baisser (ils sont "réduits"). Les atomes de Fer, eux, restent parfaitement stables et inchangés. La spectroscopie XAS montre un changement majeur de 1.65 eV sur le spectre du Cobalt, indiquant que sa valence moyenne chute de Co³⁺ vers Co²⁺ 
.
 

 
  2   Naissance d'une Nouvelle Structure Cristalline Stable :

Cette réduction sélective du Cobalt entraîne la formation d'une nouvelle phase structurale, une pérovskite déficiente en oxygène. Les lacunes d'oxygène se forment préférentiellement sur des sites tétraédriques autour du Cobalt. Contrairement à d'autres matériaux qui se décomposent, cette nouvelle phase est exceptionnellement stable, même après 100 heures de traitement
.
 

  3   Modification Contrôlée des Propriétés Physiques :

En "exhalant" de l'oxygène, le matériau change de propriétés :
   

•    Optique : Il devient plus transparent. Sa bande interdite (l'énergie nécessaire pour faire passer un électron d'un état isolant à un état conducteur) augmente, passant de 2.47 eV à 3.04 eV.
 

  •    Électrique : Il devient plus isolant (sa résistance électrique augmente) 
   
 

  4   Réversibilité Complète :

Le Matériau qui Respire : Le processus est entièrement réversible. Lorsqu'on remet de l'oxygène dans l'environnement, le matériau "inhale" et retrouve exactement sa structure et sa composition initiales. Cette réversibilité, qui s'apparente à une respiration, a été démontrée par des mesures in situ de diffraction et de transport électrique
.
 

 
  5   Un Phénomène Unique à la Composition SFCO :

Cette propriété est spécifique au rapport Fer/Cobalt de 50/50. Des matériaux plus riches en Fer ne changent presque pas, et ceux plus riches en Cobalt se décomposent purement et simplement. La présence du Fer est cruciale : elle confère une stabilité structurelle qui empêche l'effondrement du réseau lors de la réduction du Cobalt

Implications et Perspectives

Cette étude est une avancée majeure en science des matériaux. Elle démontre qu'il est possible d'obtenir un contrôle précis et réversible de la teneur en oxgène dans un solide, dans des conditions douces.

Les applications potentielles sont immenses :

    •    Cellules à Combustible à Oxyde Solide (SOFC) : Pour produire de l'électricité à partir d'hydrogène de manière plus efficace et durable.
    •    Fenêtres Intelligentes ("Smart Windows") : Des vitres qui pourraient ajuster leur transparence et leurs propriétés d'isolation thermique en réponse à la température extérieure.
    •    Électronique de Nouvelle Génération : La création de mémoires ou de capteurs dont la résistance électrique pourrait être modulée de manière réversible par l'atmosphère.
    •    Catalyse : Optimiser les réactions chimiques en contrôlant activement l'oxygène à la surface d'un catalyseur.



 

Source

Nature Communications