Les balles perforantes, les buses de moteurs de fusée et les forets pour couper à travers la roche solide ne sont que quelques-uns des produits fabriqués avec du tungstène, l'un des éléments les plus durs et les plus résistants à la chaleur de l'univers.
Le tungstène, comme la plupart des autres éléments métalliques, ne se trouve pas dans la nature sous forme de morceau de métal brillant. Il doit être chimiquement isolé des autres composés, dans ce cas la wolframite minérale naturelle. C'est pourquoi le symbole du tungstène sur le tableau périodique n'est pas T mais W, qui est l'abréviation de "wolfram". Le nom tungstène est le nom suédois de "pierre lourde", une référence à la densité et au poids étranges de l'élément. Son numéro atomique (le nombre de protons dans le noyau de son atome) est de 74 et sa masse atomique (moyenne pondérée de ses isotopes naturels) est de 183,84.
Deux chimistes (et frères) espagnols, Juan José et Fausto Elhuyar, sont crédités d'avoir découvert le tungstène en 1783 lorsqu'ils ont isolé pour la première fois le métal blanc grisâtre de la wolframite.
L'une des propriétés les plus impressionnantes et les plus utiles du tungstène est son point de fusion élevé, le plus élevé de tous les éléments métalliques. Le tungstène pur fond à 6 192 degrés F (3 422 degrés C) et ne bouillira pas tant que les températures n'auront pas atteint 10 030 F (5 555 C), soit la même température que la photosphère du soleil.
Le fer, à titre de comparaison, a un point de fusion de 2 800 degrés F (1 538 degrés C) et l'or devient liquide à seulement 1 947,52 degrés F (1 064,18 degrés C).
Tous les métaux ont des points de fusion relativement élevés parce que leurs atomes sont maintenus ensemble par des liaisons métalliques étroites, explique John Newsam, un chimiste et scientifique des matériaux que nous avons contacté par l'intermédiaire de l'American Chemical Society. Les liaisons métalliques sont si fortes parce qu'elles partagent des électrons sur tout un réseau tridimensionnel d'atomes. Selon Newsam, le tungstène dure plus longtemps que les autres métaux en raison de la force et de la directionnalité inhabituelles de ses liaisons métalliques.
« Pourquoi est-ce important ? » demande Newsam. "Pensez à Edison travaillant sur des filaments pour l'ampoule à incandescence. Il avait besoin d'un matériau qui non seulement émettait de la lumière mais ne fondait pas sous l'effet de la chaleur."
Edison a expérimenté de nombreux matériaux de filaments différents, dont le platine, l'iridium et le bambou, mais c'est un autre inventeur américain, William Coolidge, qui est à l'origine de la fabrication des filaments de tungstène utilisés dans la plupart des ampoules au cours du XXe siècle.
Le point de fusion élevé du tungstène présente d'autres avantages, comme lorsqu'il est mélangé en tant qu'alliage avec des matériaux comme l'acier. Des alliages de tungstène sont plaqués sur des sections de fusées et de missiles qui doivent résister à une chaleur énorme, y compris les tuyères des moteurs qui éjectent des jets explosifs de carburant de fusée.
La densité des différents éléments est le reflet de la taille de leurs atomes composants. Plus vous descendez dans le tableau périodique, plus les atomes sont gros et lourds.
"Les éléments les plus lourds, comme le tungstène, ont plus de protons et de neutrons dans le noyau et plus d'électrons en orbite autour du noyau", explique Newsam. "Cela signifie que le poids d'un atome augmente considérablement au fur et à mesure que vous descendez dans le tableau périodique."
Concrètement, si vous teniez un morceau de tungstène dans une main et que vous teniez le même volume d'argent ou de fer dans l'autre main, le tungstène semblerait beaucoup plus lourd. Plus précisément, la densité du tungstène est de 19,3 grammes par centimètre cube. L'argent, en comparaison, est environ deux fois moins dense que le tungstène (10,5 g/cm 3 ), et le fer est presque un tiers moins dense (7,9 g/cm 3 ).
Le poids haute densité du tungstène peut être un avantage dans certaines applications. Il est souvent utilisé dans les balles perforantes, par exemple, pour sa densité et sa dureté. L'armée utilise également le tungstène pour fabriquer des armes dites de « bombardement cinétique » qui tirent une tige de tungstène comme un bélier aéroporté pour briser les murs et le blindage des chars.
Pendant la guerre froide, l'armée de l'air aurait expérimenté une idée appelée Project Thor qui aurait largué un paquet de tiges de tungstène de 20 pieds (6 mètres) d'orbite sur des cibles ennemies. Ces soi-disant "tiges de Dieu" auraient eu un impact avec la force destructrice d'une arme nucléaire, mais sans les retombées nucléaires. Il s'avère que le coût de la propulsion des lourdes tiges dans l'espace était prohibitif.
Le tungstène pur n'est pas si dur - vous pouvez le couper avec une scie à main - mais lorsque le tungstène est combiné avec de petites quantités de carbone, il devient du carbure de tungstène, l'une des substances les plus dures et les plus résistantes sur Terre.
"Lorsque vous mettez de petites quantités de carbone ou d'autres métaux dans le tungstène, cela fixe la structure et l'empêche de se déformer facilement", explique Newsam.
Le carbure de tungstène est si dur qu'il ne peut être coupé qu'avec des diamants, et même dans ce cas, les diamants ne fonctionnent que si le carbure de tungstène n'est pas complètement durci. Le carbure de tungstène est jusqu'à trois fois plus rigide que l'acier, peut durer jusqu'à 100 fois plus longtemps que l'acier dans des conditions hautement abrasives, et a la plus grande résistance à la compression de tous les métaux forgés, ce qui signifie qu'il ne se bosse pas ou ne se déforme pas lorsqu'il est pressé sous une force énorme. .
L'utilisation la plus courante du carbure de tungstène - et la destination finale de la majeure partie du tungstène extrait sur la planète - concerne les outils spécialisés, en particulier les forets. Tout type de foret pour couper du métal ou de la roche solide doit résister à des niveaux de friction pénibles sans s'émousser ni se casser. Seuls les forets au diamant sont plus durs que le carbure de tungstène, mais ils sont aussi beaucoup plus chers.
La dureté, la densité et la résistance à la chaleur du tungstène le rendent idéal pour de nombreuses applications de niche :
Les contrefacteurs ont découvert il y a longtemps que le tungstène est presque exactement aussi dense que l'or, et essaient parfois de faire passer des lingots de tungstène plaqués or pour de l'or pur.
