Dans de nombreux secteurs, transition énergétique rime avec matériaux innovants. Les matériaux de construction du bâtiment particulièrement font fasse à des questions de plus en plus pressente sur leur potentiel écologique.
Les laboratoires découvrent de nouveaux matériaux à hauts potentiels. Certains s’autoréparent, d’autres sont même programmables.
L’objectif ultime ? Concevoir des matériaux qui fournissent plus d’énergie qu’ils n’en consomment. Focus sur les innovations matériaux qui auront le plus d’impact dans la transition écologiques.
1. Les matériaux innovants autoréparants
Le principe. Comme leur nom l’indique, ces matériaux ont la capacité de s’autoréparer, de « cicatriser » seuls. Ils ne nécessitent donc pas de diagnostic de défaut ou d’usure préalable.
On trouve quatre types de matériaux autoréparants :
- les matériaux contenant des agents réparants (micro-capsules intégrées)
- les matériaux microvasculaires, dans lesquels des tubes acheminent des agents réparants vers une fissure ou un défaut grâce à un jeu de pression
- les matériaux à mémoire de forme
L’enjeu. Dans l’industrie et le secteur de la construction, les opérations de diagnostic des défauts représentent des coûts parfois colossaux pour les entreprises.
Où en est-on ? Des polymères autoréparants ont vu le jour au début des années 2000, en particulier des polymères réversibles, tels que des caoutchoucs. Vingt ans plus tard, la recherche sur le sujet a nettement progressé. En 2017, des chercheurs japonais ont même inventé un polymère translucide autoréparant, un premier pas vers le développement de « verres » cicatrisants (1).
2. Les matériaux innovants programmables
Le principe. Grâce à des fibres intégrées couplées à des capteurs et actionneurs, certains polymères peuvent changer de forme ou de comportement selon la température, la lumière, l’électricité, l’humidité, les vibrations ou au contact de certains produits.
L’enjeu. Pour les industries automobile ou aéronautique, mais aussi pour la construction, ce type de matériaux innovants permet d’envisager des structures dynamiques sans avoir recours à la robotique. Ils visent aussi à les rendre plus ergonomiques et confortables. Des dispositifs anti-vibratoires permettent aussi d’allonger la durée de vie de systèmes mécaniques.
Où en est-on ? L’heure est encore à la recherche et au développement. En 2013, des chercheurs américains ont développé le concept d’impression 4D (la quatrième dimension est le temps) et ouvert la voie à de nouveaux matériaux programmables, notamment miniaturisés, comme des implants médicaux ou des « robots mous ».
3. Les bioplastiques du futur
Le principe. Un bioplastique est un plastique tout ou partiellement biosourcé. Quand il est biodégradable (ce n’est pas systématique), il peut être composté. Il existe trois groupes de bioplastiques :
- Les bioplastiques biosourcés non-biodégradables
- Les bioplastiques biosourcés biodégradables
- Les plastiques issus des produits pétroliers mais biodégradables
Les ressources naturelles utilisées pour créer du bioplastique peuvent être la betterave sucrière, l’amidon de maïs, la canne à sucre, le blé, le lin et bien d’autres.
L’enjeu. Face à la surproduction et surconsommation de plastique dans le monde, source importante d’émissions de CO2 et de pollution, le besoin de matériaux innovants alternatifs n’a jamais été aussi pressant. Les bioplastiques sont présentés comme une des solutions à court et moyen terme.
Où en est-on ? Seul 1 % des 360 millions de tonnes de plastiques produits chaque année sur la planète sont des bioplastiques, d’après European Bioplastics. Cette part devrait continuer à grimper dans les années à venir, tant les innovations fleurissent.
Remplacer le plastique Dans le domaine de la construction?
- Toile de lin : cette toile végétale est utilisée pour remplacer les plastiques dans les bâtiments, grâce à sa résistance, sa durabilité, et sa faible empreinte carbone.
4. Un isolant à base de champignon
Le principe. Des isolants sont depuis peu créés grâce au mycélium, l’appareil végétatif filamenteux du champignon, connu pour être un puissant liant. L’idée ici est de placer des champignons sur des déchets végétaux, lesquels nourrissent le mycélium et finissent agglomérés.
L’enjeu. L’ « isolant champignon » est très résistant, ignifuge et performant, en plus d’être biodégradable. Il nécessite 7 fois moins d’énergie pour être produit que le polystyrène expansé (2).
Où en est-on ? L’intérêt pour le mycélium est confirmé jusque dans les rangs de la Nasa. L’agence spatiale américaine envisage en effet d’utiliser des matériaux innovants renforcés aux champignons pour bâtir les futures habitations humaines sur Mars ! (3)
5. Les alternatives durables au béton
L’enjeu. La production de béton génère près de 7 % des émissions mondiales de CO2. Au cours du processus, c’est la fabrication du clinker, principal composant du ciment, qui est la plus énergivore.
Sans compter les ressources naturelles (eau, sable…) qu’il engloutit. Remplacer le ciment Portland, le plus courant aujourd’hui, est donc devenu un enjeu environnemental de premier rang.
Où en est-on ? Les alternatives au béton Portland se développent. Parmi elles, on peut citer :
- L’argile bétonneuse, dont le principe consiste à recréer de la pierre à partir de l’argile, via une réaction moléculaire alcaline peu énergivore.
- Le fibrociment. Ici, on mélange des fibres végétales ou tirées de déchets pour réduire de 50 % les besoins en ciment.
- Le composite à partir de sable du désert. Une start-up britannique, Finite, est parvenue à utiliser l’inépuisable sable du désert, pour produire un béton à l’impact carbone deux fois plus faible au moins.
- Le béton translucide. Une prouesse d’ingénierie proposée par une société austro-hongroise. Le béton LiTraCon laisse passer la lumière grâce à la présence de fibres optiques. Un matériau pour le moment hors de prix.
- Briques de paille : ces briques fabriquées à partir de paille sèche sont utilisées dans les murs pour remplacer les briques de ciment. Elles offrent des performances équivalentes en termes d’isolation et de résistance, tout en étant plus écologiques.
6. Le graphène, un matériau au potentiel inexploité ?
Le principe. Découvert en 2004, le graphène s’obtient à partir de graphite. Il se compose d’un feuillet d’atomes de carbone arrangés selon un motif hexagonal.
Son épaisseur n’excède donc pas celle d’un atome de carbone. Matériau « miracle » diraient certains, il est extrêmement résistant – 200 fois plus que l’acier (4) –, presque transparent et présente une conductivité électrique et thermique hors du commun.
L’enjeu. Matériau innovant par excellence, le graphène pourrait être le remplaçant idéal du silicium dans les transistors et composants informatiques, ou encore l’élément-clé des batteries de stockage électrique du futur.
Grâce à sa transparence, il est aussi attendu dans le domaine des écrans tactiles, des panneaux lumineux ou solaires. Il est par ailleurs capable de rendre le plastique conducteur d’électricité.
Où en est-on ? La production de graphène à grande échelle demeure encore complexe et très coûteuse. Mais la recherche bat son plein, notamment en Europe via le programme « Graphene Flagship » de la Commission européenne.
Matériaux innovant: bonus
- Béton imprimable en 3D : ce béton spécial permet de fabriquer des structures en béton avec une imprimante 3D, ce qui ouvre de nouvelles possibilités en termes de formes et de designs.
- Bois conducteur : il s’agit d’un bois modifié chimiquement pour devenir conducteur électrique. Il peut être utilisé dans les meubles et les bâtiments pour remplacer les fils et les câbles.
- Verre intelligent : ce verre est recouvert d’une couche conductrice qui peut changer de couleur et d’opacité en fonction de l’environnement. Il peut être utilisé dans les fenêtres et les écrans pour réguler la lumière et la chaleur.
- Métal vivant : ce métal est fabriqué à partir de bactéries modifiées génétiquement pour produire du cuivre ou d’autres métaux. Il est plus durable et plus écologique que les métaux traditionnels.
- Super-isolant : il s’agit d’un matériau isolant qui offre des performances supérieures aux matériaux traditionnels, grâce à des propriétés thermiques et acoustiques améliorées.
- Ciment photocatalytique : ce ciment est fabriqué avec des nanoparticules qui absorbent la lumière et produisent de l’oxygène. Il peut être utilisé pour purifier l’air intérieur et extérieur.
- Plastique auto-réparant : il s’agit d’un plastique qui contient des microcapsules de réparation qui se brisent en cas de fissure ou de dommage, et qui libèrent un agent de réparation pour combler la fissure.
- Papier électronique : il s’agit d’un papier spécial qui peut afficher des images et des textes en utilisant des signaux électroniques. Il peut être utilisé dans les livres, les affiches, et les étiquettes pour remplacer les écrans traditionnels.
- Matériaux composites : il s’agit de matériaux fabriqués en combinant plusieurs matériaux pour obtenir des propriétés spécifiques. Par exemple, un matériau composite peut être plus résistant, plus léger, ou plus isolant que les matériaux utilisés individuellement.
Nouveaux matériaux, le mot de la fin
les matériaux innovants jouent un rôle important dans l’éco-innovation en offrant des solutions durables et écologiques pour les industries et les entreprises. Grâce à leurs propriétés uniques et leurs performances supérieures, ces matériaux peuvent remplacer les matériaux traditionnels et contribuer à la protection de l’environnement.
Il est important de continuer à explorer et à développer de nouveaux matériaux innovants pour répondre aux défis de la transition écologique et offrir des alternatives viables et durables.
1) https://www.presse-citron.net/decouvert-verre-auto-reparant-ecrans/
4) https://www.lesechos.fr/2014/12/pret-pour-le-graphene-298577
