Une technique développée par un professeur espagnol révèle l'invisible

Les méthodes conventionnelles telles que les rayons X, la tomodensitométrie ou l'IRM nous permettent de voir des parties de l'intérieur des corps et des objets sans les ouvrir. Ces avancées extraordinaires ont une limite : les fluides et le comportement des éléments chimiques qui les composent dans le temps sont invisibles. Les recherches menées par l'Espagnol Antoni Forner-Cuenca, professeur de matériaux et de systèmes électrochimiques à l'Université de technologie d'Eindhoven (Pays-Bas) après être passé par le MIT (Massachusetts Institute of Technology), ont réussi à franchir cette barrière. Grâce aux rayons X neutroniques, il a révélé la composition et le comportement des éléments internes d'une batterie en état de marche. Il ne peut pas être utilisé sur les organismes vivants en raison de l’effet des radiations, mais c’est une porte vers le monde invisible qu’il collecte.

L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) définit « l'imagerie neutronique » comme une technique non destructive permettant d'analyser la structure d'un échantillon à partir d'un faisceau de neutrons qui le traverse et s'atténue en fonction de sa composition et de sa forme. Les résultats qu'il fournit sont fondamentaux pour les analyses électrochimiques des piles à combustible, l'étude de l'efficacité dynamique et des performances des batteries ou des moteurs, le contrôle qualité dans les industries automobile, aéronautique et de la construction, l'étude non invasive d'objets patrimoniaux, d'échantillons culturels et biologiques, géologie, examen du combustible nucléaire ou recherche sur les matériaux.

Les recherches de Forner-Cuenca et de son équipe sont allées plus loin et, comme l'explique le chercheur espagnol, il a développé et démontré dans une batterie à flux une méthode d'imagerie avec des neutrons pour visualiser les concentrations dans les liquides et leur comportement.

« Dans une batterie, une série de processus se produisent à l’intérieur et déterminent ses performances, son efficacité et sa durée de vie utile. Jusqu’à présent, c’était une boîte noire. La tension et le courant électrique pouvaient être mesurés, mais ce qui se passait à l’intérieur était inconnu. Grâce à notre méthode, nous pouvons prendre des photos et des vidéos de ces processus pendant le fonctionnement de la batterie et voir comment les concentrations changent au sein de la cellule électrochimique », explique-t-il.

Les magiciens qui révèlent ce qui était jusqu'alors invisible sont les neutrons, des particules subatomiques sans charge nette et qui, de par cette caractéristique, n'interagissent pas avec les nuages ​​électroniques. Le neutron traverse la structure externe de l'objet comme s'il était transparent, mais s'atténue lorsqu'il rencontre des molécules contenant de l'hydrogène ou du bore.

L'application industrielle est évidente, notamment pour améliorer l'efficacité des batteries à flux analysées, qui sont essentielles pour l'énergie issue de sources renouvelables en raison de leur capacité de stockage à grande échelle et de longue durée. «Je vois des applications dans divers processus de l'industrie chimique – où il y a des conversions de molécules en phase liquide – ou pour comprendre le fonctionnement des prototypes», ajoute Forner-Cuenca.

Les images d'espaces invisibles ont révélé les mouvements des molécules, leur fluctuation dans les phases de chargement ou de déchargement, les zones les plus inactives ou la précipitation de solides. Toutes ces informations nous permettent de concevoir des batteries plus efficaces.

« La recherche a été dirigée par le chercheur espagnol Forner-Cuenca et son équipe (Maxime van der Heijden, Remy R. Jacquemond et Emre B. Boz) à l'Université de technologie d'Eindhoven, en collaboration avec le MIT et l'Institut Paul Scherrer de Suisse (PSI), qui a fourni les installations nécessaires au développement des expériences, qui ont duré 12 jours sans interruption et avec des mesures toutes les 30 secondes.

La ligne de travail de l'université européenne est partagée par d'autres entités internationales car, comme l'explique Santanu Roy, co-auteur d'une recherche publiée dans « une meilleure capacité à prédire et calculer les comportements microscopiques, ainsi qu'à obtenir des données fiables, aident à développer meilleurs modèles.

Le scientifique, qui étudie les sels fondus comme combustible et comme liquide de refroidissement des réacteurs, explique que « le comportement chimique, structurel et dynamique des sels au niveau atomique est difficile à comprendre ». Lorsqu’un faisceau de neutrons est dirigé vers un échantillon, beaucoup d’entre eux traversent le matériau, mais certains interagissent directement avec les noyaux atomiques et « rebondissent » selon un angle, comme des balles qui entrent en collision dans une partie de billard. À l'aide de détecteurs spéciaux, les scientifiques comptent les neutrons diffusés, mesurent leurs énergies et les angles de diffusion et cartographient leurs positions finales. Cela permet d'obtenir des détails sur la nature des matériaux, des cristaux liquides aux céramiques supraconductrices, des protéines aux plastiques, et des métaux aux aimants en verre métallique.

Toujours dans le cadre de l'amélioration des performances des appareils, l'Université d'Osaka (Japon) a utilisé des neutrons pour mesurer rapidement et avec précision les températures internes des composants électroniques. La méthode, également publiée par, utilise une technique appelée « absorption par résonance neutronique » pour examiner les neutrons absorbés par les noyaux atomiques à certains niveaux d’énergie et en déduire les propriétés du matériau. « Cette technologie permet de mesurer la température instantanément (100 nanosecondes) et, comme elle est non destructive, elle peut être utilisée pour surveiller des appareils tels que des batteries et des dispositifs à semi-conducteurs. » explique Zechen Lan, auteur principal de l'ouvrage.