Fig.1 Motif Hidasuki sur grès de Bizen
Des mystères de la production de couleurs rouges dans le grès traditionnel japonais de Bizen aux bactéries oxydant le fer pour les batteries lithium-ion, Le professeur Jun Takada est à la pointe de la recherche sur les nanomatériaux d'oxyde de fer innovants.
Le professeur Jun Takada est à la Graduate School of Natural Science and Technology de l'Université d'Okayama. "J'ai passé trente ans à étudier comment les artisans étaient capables de rendre les belles couleurs rouges des poteries de Bizen et d'Arita, " explique Takada. " Cette recherche a révélé le rôle important des particules d'oxyde de fer pour produire les couleurs. Je travaille maintenant sur des applications innovantes de matériaux d'oxyde de fer à l'échelle nanométrique produits par des « bactéries oxydant le fer ». Je suis passé de la céramique fine et du grès de Bizen aux piles à combustible et à la biotechnologie !"
Les articles de Bizen ont une histoire de plus de mille ans. La poterie a des couleurs brun rougeâtre distinctives « hidasuki » ou « marquées par le feu » (Fig.1) et est produite à partir d'argile riche en fer extraite des rizières de la région de Bizen, dans la préfecture d'Okayama. Curieusement, les couleurs rouges sont rendues en enroulant de la paille autour du grès et non en émaillant. Mais pourquoi la paille, qui était à l'origine utilisé pour séparer les morceaux de grès dans les fours, produire les couleurs rouges où la paille est en contact avec la surface de l'argile ?
Fig.2 Oxyde de fer substitué par Al pour un nouveau pigment rouge.
"Nos recherches ont montré que l'argile de Bizen avait une teneur élevée en fer, des concentrations moindres d'autres éléments, notamment le silicium, calcium, magnésium, et sodium, " explique Takada. " Les motifs rouges sont produits par la précipitation du corindon (α-Al2O3) suivie de la formation d'hermatite (α-Fe2O3) autour de lui pendant le processus de refroidissement. "
Plus précisement, le potassium dans la paille réduit le point de fusion de la surface de l'argile de Bizen, ce qui conduit à la formation d'un liquide d'environ 50 micromètres d'épaisseur à la surface de l'argile chaude, où se produisent les réactions susmentionnées. Par ailleurs, la recherche a identifié la formation de cristaux de type sandwich de particules α-Fe2O3/α-Al2O3/α-Fe2O3 au cours de la réaction lors du refroidissement lent. (Fig. 1)
"Le principal résultat de la recherche était l'importance de l'hématite dans la formation des motifs rouges hidasuki, " dit Takada. " Nous avons également trouvé une relation entre la croissance des particules d'hématite et la couleur de la vaisselle Bizen résultante. "
Takada et ses collègues ont également produit ce qu'on appelle l'hématite substituée par Al, où la substitution d'Al supprimait la croissance des grains d'hématite et la couleur du ton devenait plus forte avec l'augmentation de l'aluminium. (Fig.2) Ils ont constaté que des particules d'environ 100 nm produisaient un rouge jaunâtre, et de plus grandes tailles de particules ont conduit à des couleurs rouges et éventuellement violet foncé. Ces recherches ont finalement permis aux chercheurs de produire des poudres à base d'hématite ne contenant pas d'éléments dangereux comme le chrome ou le plomb, et augmente ainsi la gamme d'applications de ces matériaux, en particulier la production de décorations Aka-e sur les articles Arita sur-émaillés.
Fig.3 Nouvel oxyde de fer de couleur rouge
Inspiré par ses recherches sur les particules d'hématite et d'oxyde de fer pour produire des couleurs rouges, Takada a lancé de nouvelles recherches sur la préparation de tubes à nanostructures et de fibres d'oxydes de fer - connus sous le nom d'oxydes de fer biogènes (BIOX) (Fig. 3) - produits par des bactéries dites oxydant le fer. "Le précipité brun jaunâtre trouvé dans une source d'eau souterraine est dû à la présence de faisceaux fibreux extracellulaires produits par des bactéries oxydant le fer telles que Leptothrix ochracea, " dit Takada. " Nos recherches montrent que ce matériau d'apparence autrement inutile a des applications extrêmement importantes. " En effet, les recherches de Takada sur les propriétés physiques de la matrice BIOX ont montré que cet oxyde de fer avait un état amorphe constitué d'une structure hybride organique/inorganique de nanoparticules d'une taille d'environ 3 nm de nombreux éléments différents, notamment du carbone, phosphoreux, silicium, et fer.
Les applications importantes de BIOX incluent en tant que matériau d'anode des batteries Li-ion, catalyseurs, pigmentation des couleurs, et l'innovation basée sur ces matériaux à haute affinité pour les cellules humaines. "Nos études sur la formation de BIOX montrent que la sécrétion extracellulaire de polymères bactériens déclenche le dépôt et la liaison de substances inorganiques aquatiques telles que Fe, Si, et P, ce qui donne l'hybride organique/inorganique unique, " dit Takada. " Ce BIOX à faible coût est un matériau fonctionnel respectueux de l'environnement et non toxique avec un large éventail d'applications, y compris la production de céramiques fines et d'art, qui sont les racines de cette recherche.
