Le goudron, le matériau de tous les jours qui scelle les joints de nos toits et de nos allées, a une complexité inattendue et méconnue, selon une équipe de recherche du MIT :il pourrait un jour être utile comme matière première pour une variété d'appareils de haute technologie, y compris les systèmes de stockage d'énergie, revêtements thermiquement actifs, et capteurs électroniques.

Et ce n'est pas que du goudron. Le professeur Jeffrey Grossman a également une vision très différente des autres combustibles fossiles. Plutôt que d'utiliser ces matériaux comme des produits bon marché à brûler, colmater les fissures avec, ou disposer, il voit le potentiel pour une grande variété d'applications qui tirent parti de la chimie très complexe intégrée dans ces anciens mélanges de composés carbonés dérivés de la biomasse.

Un avantage important de ces applications est qu'elles offrent un moyen de réutiliser des matériaux qui seraient autrement brûlés, augmenter les émissions de gaz à effet de serre, ou éliminés dans des décharges. Ces utilisations pourraient conduire à un « verdissement » du charbon et d'autres matériaux à base de carbone autrement nocifs pour le climat, dit Grossman.

Dans ses dernières recherches, Homme dégoutant, avec le post-doctorant Xining Zang, chercheur Nicola Ferralis, et cinq autres, trouvé des façons d'utiliser le charbon, le goudron, et du brai pour produire des revêtements minces avec une conductivité électrique hautement contrôlable et reproductible, porosité, et d'autres propriétés. A l'aide d'un laser, ils ont pu fabriquer des prototypes d'appareils à partir de peu coûteux, matériaux omniprésents, comprenant un supercondensateur pour stocker l'électricité, une jauge de contrainte souple, et un radiateur transparent.

L'oeuvre, décrit dans le journal Avancées scientifiques , explore des voies alternatives d'utilisation des hydrocarbures lourds carbonés, qui se sont formées au cours de millions d'années de traitement géologique de la matière végétale en décomposition par la chaleur et la pression. Ces matériaux, Grossman dit, fournir une riche variété de configurations atomiques avec différentes propriétés chimiques et structurelles, inégalé par aucun synthétique, nanomatériaux à base de carbone transformés.

Pour utiliser ces propriétés matérielles, l'équipe a utilisé un processus appelé recuit laser pour créer des couches ultrafines de matériaux carbonés, déposé sur un substrat. Ils ont réalisé des dispositifs fonctionnels spécifiques en déposant et en gravant des motifs dans des couches constituées de différents matériaux à base de carbone.

Dans un sens, ce que l'équipe a fait est l'inverse du traitement traditionnel des combustibles fossiles, dans lequel le mélange complexe d'hydrocarbures subit étape après étape la rupture des liaisons chimiques et la séparation des différents composés. Dans ce travail, les différents types de complexes d'hydrocarbures lourds ont été utilisés tels quels, en utilisant la grande variété de propriétés que l'on trouve dans les différents matériaux - types de charbon, goudron craqué à la vapeur de pétrole, et le brai mésophasique, dont la plupart sont soit des sous-produits qui doivent généralement être éliminés, soit des carburants qui sont rapidement éliminés.

Grâce à une combinaison de sélection du bon matériau de matière première et de variation de la synchronisation et de la force des impulsions laser utilisées pour recuire le matériau, l'équipe a pu contrôler une gamme de physique, optique, électrique, magnétique, et d'autres propriétés. En combinant différents matériaux, ils disent, toute une gamme de dispositifs pourrait être réalisée à la fois sur un même substrat.

« Nous pouvons ensuite tout créer, du graphène à une sorte de polymère riche en aromatiques, " dit Ferralis, "et avec des propriétés qui pourraient changer considérablement, d'être des isolants thermiques et électriques, aux conducteurs thermiques et électriques. On peut changer la porosité, ce qui nous permet non seulement de créer des films solides, mais aussi pour créer des matériaux très poreux, donc nous pouvons réellement fabriquer des membranes."

Cet assortiment de propriétés matérielles peut être mélangé et assorti, peut-être en permettant, par exemple, la création d'une variété d'"encres" carbonées pour l'impression 3D, il dit.

"Mais plutôt que de changer les couleurs, " Ferralis dit, "vous changez en fait le type de précurseur que vous fabriquez. Vous ajoutez un peu plus de goudron, un peu moins de pitch, ou un peu plus de l'une des autres choses que nous avons soulignées dans le document. ça pourrait donner, par exemple, la capacité de faire, dans le même film, une membrane, un appareil électrique, et un système de stockage d'énergie, et ainsi de suite, sur demande."

Les matériaux peuvent être pratiquement n'importe quel type d'hydrocarbure lourd, dont beaucoup existent en grande abondance sous forme de déchets provenant de la production pétrolière ou du traitement chimique. "Essentiellement, ce que nous recherchons, c'est n'importe quel matériau riche en aromatiques, c'est-à-dire des hydrocarbures lourds dont on ne sait pas quoi en faire, " dit Zang. "Nous sommes donc assez agnostiques sur ce que nous pouvons utiliser."

En utilisant des impulsions synchronisées et réglées avec précision d'un laser au dioxyde de carbone, l'équipe a pu contrôler les propriétés du matériau enrobé, le faire exploser avec des impulsions qui pourraient générer des températures très localisées pouvant atteindre 2, 000 degrés Celsius, tout en laissant les zones environnantes si intactes que le processus pourrait être effectué même sur des substrats mous tels que les plastiques, ils disent.

"Nous avons ce très hétérogène, matière première en désordre, " dit Grossman, "mais c'est tellement bon marché et riche en chimie utile." L'idée est de le comprendre suffisamment pour pouvoir « appliquer simple, des outils de fabrication évolutifs afin que nous puissions tirer parti de cette compréhension pour lui faire faire quelque chose de différent pour nous. il dit, « nous trouvons ce matériau qui était auparavant considéré comme limité dans son utilisation (en tant que seul combustible à brûler, par exemple), et en comprenant sa structure atomique, nous sommes en mesure d'appliquer les principes de conception et d'ingénierie des matériaux pour les rendre utiles de manière plus large. »

Alors que ces premiers travaux portaient sur les couches minces, les matières premières sont si peu coûteuses qu'en fin de compte, ces matières pourraient également être utilisées pour des applications en vrac, dit Ferralis. « Si nous pouvons étendre ce processus aux systèmes en vrac, cela pourrait être utilisé dans les matériaux de structure, par exemple, ou l'isolation des maisons. Des trucs qui nécessitent en fait beaucoup de matériel. » Cela pourrait même donner un coup de pouce économique aux régions productrices de charbon qui souffrent actuellement de l'effondrement de l'industrie des centrales électriques au charbon pour devenir des producteurs d'une toute nouvelle famille de produits à plus forte valeur ajoutée. , Il suggère.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.