Henrik Soensteby tient une plaquette de silicium recouverte d'un film mince constitué de sodium, potassium, niobium et oxygène. Les couleurs sont causées par des variations d'épaisseur involontaires. Crédit :Bjarne Roesjoe/UiO
La plupart des smartphones et autres produits électriques ou électroniques contiennent de petites quantités de plomb, ce qui ne semble pas être un gros problème en soi. Mais quand il y a plusieurs milliards de tels produits, soit en usage quotidien ou égaré, le total s'élève à de très grandes quantités de plomb - qui est un métal lourd toxique.
Par conséquent, les autorités environnementales de l'UE/EEE, les États-Unis et plusieurs autres pays ont convenu de limiter l'utilisation du plomb dans les équipements électriques et électroniques. Les produits ne doivent pas contenir plus de 0,1 pour cent en poids de plomb afin d'être approuvés pour le marquage CE, selon la réglementation en vigueur - mais il y a des exceptions, surtout quand il n'y a pas de matériaux alternatifs à trouver.
Un long pas dans la direction de la non-toxicité
"En pratique, il n'est pas possible de limiter ou d'arrêter l'utilisation du plomb dans de tels produits si vous ne disposez pas d'autres matériaux pouvant offrir les mêmes avantages sans être significativement plus chers. Par conséquent, Au Département de chimie de l'Université d'Oslo (UiO), nous avons essayé de développer de nouveaux matériaux pouvant remplacer les matériaux contenant du plomb. Maintenant, nous avons fait un grand pas dans une direction juste et non toxique, " dit le chercheur Henrik Hovde Soensteby à Titan.uio.no.
Soensteby a récemment obtenu son doctorat, sur la base de son travail sur la fabrication de films minces d'un matériau qui a le potentiel de remplacer le plomb dans les produits électriques et électroniques. Le matériau contient les éléments communs sodium, du potassium et de l'oxygène en plus du niobium métallique, et n'a pas d'effets nocifs connus sur l'environnement.
"À proprement parler, le matériel n'est pas complètement nouveau, mais il a été difficile de le produire sous une forme utilisable dans les applications. Mais maintenant, nous avons résolu ce problème en utilisant la technique appelée Atomic Layer Deposition (ALD). Nous sommes maintenant en mesure de fabriquer des films minces avec du potassium et du sodium comme ingrédients importants, ce que personne d'autre n'a pu faire auparavant, " explique Soensteby
L'illustration montre la structure cristalline des nouveaux matériaux :atomes d'oxygène en rouge, niobium en marron, ions potassium/sodium en violet. Crédit :Henrik Soensteby/UiO
Le problème avec le plomb
L'arrière-plan de la recherche de Sønsteby est que nous achetons de plus en plus de produits électriques et électroniques, qui finissent en grande partie comme déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) lorsque de nouveaux gadgets plus frais deviennent disponibles. Cela signifie que la quantité de DEEE augmente constamment dans le monde, parce que certains pays ne sont pas aussi intelligents que la Norvège en matière de recyclage. Selon l'Agence norvégienne de l'environnement, environ 85 pour cent des DEEE en Norvège sont recyclés et utilisés dans la production de nouveaux équipements.
"Les problèmes de pollution au plomb sont beaucoup plus importants en Chine et dans les autres pays qui produisent les produits électroniques dont nous sommes devenus complètement dépendants, mais cela ne veut pas dire que nous ne devrions pas nous en soucier en Europe. Le problème avec le plomb est que l'élément est absorbé dans le corps et déplace d'autres substances chimiques de telle manière que d'importantes fonctions biologiques sont perturbées. Les enfants et les femmes enceintes sont particulièrement vulnérables, parce que le plomb est facilement absorbé dans les os lors de la croissance, " dit Soensteby.
L'empoisonnement au plomb peut provoquer une variété de symptômes (voir l'encadré) et il a même été affirmé que l'empoisonnement au plomb a causé la chute de l'ancien empire romain.
« Les Romains utilisaient des composés de plomb dans leurs aqueducs, et l'acétate de plomb – également appelé sucre de plomb – était même utilisé comme édulcorant dans le vin. Evidemment pas une bonne idée, " commente oeønsteby.
Le croquis montre comment fonctionne la technologie ALD, ici pour le dépôt d'Al2O3. Une molécule (triméthylaluminium) portant de l'aluminium est introduite dans une chambre de réaction et sature la surface. L'excès de triméthylaluminium est retiré de la chambre, avant que l'eau ne soit introduite et réagit de la même manière. Le processus est répété jusqu'à ce que l'épaisseur souhaitée soit atteinte. Crédit :Ingrid Vee/UiO
Le plomb dans les matériaux sensibles à la pression
Le plomb est souvent utilisé dans les matériaux piézoélectriques, ce qui signifie qu'ils sont constitués de cristaux qui produisent une tension électrique lorsqu'une pression est appliquée. Par conséquent, ces matériaux sont largement utilisés comme capteurs de pression. La fonction inverse est également importante :si vous appliquez une tension électrique à de tels matériaux, ils se développeront et vous donneront par exemple un petit moteur qui peut déplacer de très petites choses.
L'utilisation la plus répandue de matériaux piézoélectriques et à base de plomb se produit dans les émetteurs et les récepteurs, où le composé céramique plomb zirconate titanate (également appelé PZT) a été difficile à remplacer. Le PZT contient environ 60 % de plomb en poids. Le film mince que Sønsteby et ses collègues du groupe de recherche Nanostructures et matériaux fonctionnels (NAFUMA) ont réussi à produire offre désormais une alternative réaliste.
Le film mince innovant se compose de cristaux, que Henrik Sønsteby crée en déposant une couche atomique à la fois sur un substrat en silicium. Les chercheurs de l'UiO sont très en avance au niveau international dans l'utilisation de la technologie ALD, et des collègues de recherche de loin et de près ont noté qu'ils sont maintenant capables de faire ces films avec du sodium et du potassium.
"En principe, Je crois que nous avons ouvert une nouvelle porte en permettant de produire de nouveaux types de matériaux à l'aide d'ALD. Les deux technologies de batterie moins chères, les supraconducteurs et les matériaux thermoélectriques peuvent en bénéficier. Nous avons été contactés par plusieurs autres groupes de recherche qui s'appuient déjà sur nos recherches, " dit Soensteby.
Le reste concerne la montée en gamme
Henrik Soensteby ajoute qu'il reste encore quelques problèmes à résoudre avant que les nouvelles couches minces puissent être utilisées dans les produits.
"Maintenant, nous sommes capables de produire les films en laboratoire, la prochaine étape consiste donc à trouver un moyen de produire des quantités suffisamment importantes et bon marché pour être utilisées industriellement. Il faut aussi trouver un moyen de produire des cristaux où toutes les propriétés piézoélectriques pointent dans la même direction, avant que les matériaux puissent être utilisés comme capteurs ou petits moteurs. Cependant, Je ne vois aucune raison pour laquelle cela ne devrait pas être possible, " conclut Soensteby.
