L'application d'un champ électrique fait baisser la température de certains matériaux. La « réfrigération électrique » pourrait remplacer les technologies actuelles à base de gaz.

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    Le phénomène thermodynamique est connu depuis les années 1960 sous le nom d'effet « électrocalorique » ou effet « EC ». Ignoré par les industriels du fait de sa faiblesse, il pourrait être remis au goût du jour par les travaux du physicienphysicien Alex Mischenko et de ses collègues de l'université de Cambridge (1).

    Les systèmes de réfrigération, qu'ils soient industriels ou domestiques, utilisent la plupart du temps des gaz néfastes pour la couche d'ozonecouche d'ozone. Bref, les réfrigérateurs de nos maisons ne sont pas très écologiques. Jusqu'ici, l'emploi de matériaux qui changent de température lors de l'application d'un simple champ électrique se heurtait à la modestie de l'effet engendré : une baisse de température de 2,5 °C seulement pour un champ de 750 volts.

    Les travaux d'Alex Mischenko, étudiant chercheur en PHD au département de sciences des matériaux de l'université de Cambridge, font mention d'un « effet électrocalorique géant », cent fois plus fort que ceux observés jusqu'ici. Il est obtenu sur un film de « perovskite », ou PZT, composé d'oxyde de plombplomb, de zirconiumzirconium et de titanium. Ce titanio-zirconiate de plomb est un solidesolide cristallin très résistant, dont les capacités piézoélectriquespiézoélectriques en font un matériaumatériau très utilisé en électroacoustique. En introduisant vingt fois plus de zirconium que de titanium, les chercheurs ont montré que le PZT offre aussi des qualités intéressantes sur le plan calorifique.

    Le principe de l'effet EC est simple : l'application d'un champ électrique fait augmenter la température, et inversement la disparition du champ entraîne une baisse de la température. L'effet EC est basé sur une modification de la structure cristalline appelée changement de phase, se produisant à une température précise. Ainsi le PZT peut voir sa température de changement de phase modifiée par un champ électrique : en clair, au voisinage de la température de changement de phase, l'application du champ va placer les atomesatomes du cristal dans un état de basse énergieénergie engendrant une baisse de la température.

    En mesurant la polarisation de films minces de PZT à différentes températures, et en couplant ces mesures aux équationséquations de base de la thermodynamique, les chercheurs ont pu calculer qu'un champ de seulement 25 volts fait baisser la température du matériau de 12° C. Seul problème : l'effet est optimal... autour de 222° C, ce qui est évidemment bien au-delà de la température ambiante à laquelle le phénomène devient intéressant.

    Les applications, selon les auteurs, sont encore lointaines, mais "elles sont très diverses" selon Alex Mischenko interrogé par Tech & Co pour Futura Sciences. "De tels films pourraient être exploités pour refroidir des composants électroniques, par exemple les puces des ordinateursordinateurs, mais aussi pour la réfrigération domestique et industrielle". Avantage : en plaçant de minuscules films réfrigérants exactement aux endroits où de la chaleurchaleur est dégagée, le refroidissement serait plus efficace et les performances de l'ordinateur améliorées. Les scientifiques pensent aussi à des capteurscapteurs infrarougesinfrarouges, ainsi bien sûr qu'à l'industrie de la réfrigération: "des applications sont également possibles pour les matériaux qui travaillent à haute température (222 °C) dans les systèmes de transport et l'aérospatial".

    Déjà, les chercheurs envisagent de doper le PZT avec d'autres éléments afin de réduire la température opérationnelle pour mieux profiter du phénomène. Mischenko parle aussi de remplacer le plomb par du bismuthbismuth, moins toxique et plus donc plus adapté dans le cadre d'applications industrielles. Surtout: "il est possible d'obtenir un effet électrocalorique géant sur des films minces à température ambiante si l'on choisit des matériaux adéquats. Nous travaillons en ce moment sur ce sujet" conclut Alex Mischenko.

    (1) Science 311 1270 - Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr0.95Ti0.05O3
    A. S. Mischenko, Q. Zhang, J. F. Scott, R. W. Whatmore, N. D. Mathur