Depuis longtemps, on crée des métaux utiles en partant d'un élément de base et en y ajoutant de petites quantités d'autres éléments. Par exemple, l'acier est fait surtout de fer. On ajoute du carbone en différentes quantités pour obtenir des types d'acier variés. Le bronze, lui, est un mélange de cuivre et d'étain. Ces mélanges s'appellent des « alliages ».
L'Afrique fournit déjà plusieurs des métaux qui servent à fabriquer des alliages. Pourtant, le continent gagne beaucoup moins d'argent en créant et fabriquant des matériaux modernes qu'en extrayant les minerais nécessaires. Par exemple, le continent fournit environ 75 % du manganèse mondial, 70 % du cobalt et presque 20 % du cuivre produit dans le monde. Cependant, le continent ne reçoit que moins de 1 % de la valeur créée par la fabrication de technologies d'énergie propre qui utilisent ces minéraux.
En fait, l'Afrique vend sa richesse sous sa forme la plus simple et achète des produits finis de grande valeur. Pour changer cela, il faut transformer les minerais bruts, les purifier, fabriquer des matériaux avancés et assembler les produits sur place. Cela permettrait aux pays africains de garder une plus grande partie de la valeur économique. Cela aiderait aussi à développer l'industrie, à encourager l'innovation et à favoriser un développement durable.
Une nouvelle découverte importante dans la recherche sur les matériaux métalliques pourrait tout changer. Elle se concentre sur les alliages à haute entropie. Ce sont de nouveaux types de matériaux métalliques qui pourraient permettre à l'Afrique de passer d'une économie basée sur l'extraction à un rôle de leader dans la création de matériaux pour stocker l'hydrogène. Le stockage de l'hydrogène est important pour l'énergie propre.
Au lieu d'avoir un seul métal principal, les alliages à haute entropie mélangent plusieurs éléments (souvent plus de trois) en quantités plus ou moins égales. Une fois qu'ils sont bien préparés, ces matériaux sont souvent plus solides, résistent mieux à la chaleur et à la rouille, et durent plus longtemps que la plupart des alliages classiques.
Par exemple, l'alliage appelé alliage de Cantor et ses variations sont très résistants et ne s'oxydent pas facilement. Leurs propriétés mécaniques s'améliorent quand il fait très froid, à des températures cryogéniques. Cela en fait de bons candidats pour certaines utilisations.
Le défi scientifique est de deviner quelles combinaisons d'éléments donnent des propriétés utiles. Notre équipe de recherche réunit des experts en science des matériaux, en génie chimique et en modélisation informatique des matériaux. Nous avons aussi de l'expérience dans la recherche sur les matériaux pour l'énergie. Nous nous sommes intéressés aux alliages à haute entropie pour résoudre un problème actuel : comment stocker et transporter l'hydrogène en toute sécurité dans les systèmes d'énergie propre.
Nous avons étudié des simulations pour mieux comprendre comment la composition des alliages affecte leur capacité à stocker l'hydrogène. Nos résultats montrent comment les simulations peuvent aider à trouver rapidement des matériaux performants. Elles permettent de trouver des mélanges de métaux prometteurs avant de les tester en laboratoire.
Le but est de pouvoir stocker l'hydrogène et de le libérer facilement pour qu'il puisse être utilisé dans les véhicules.
Le stockage de l’hydrogène et l’énergie propre
L'hydrogène est vu comme une énergie propre car il produit peu de pollution quand on l'utilise. La demande mondiale d'hydrogène était d'environ 100 millions de tonnes en 2024. Elle pourrait encore augmenter dans les années à venir. Cependant, stocker l'hydrogène pose plusieurs problèmes. Il faut de la place et il y a des questions de sécurité. Une façon de stocker l'hydrogène est de le faire sous forme solide. Les atomes d'hydrogène sont alors absorbés par un métal, puis libérés quand on en a besoin.
Le grand avantage de ce stockage par hydrure métallique est qu'il permet de stocker plus d'énergie dans un petit espace, et de manière plus sûre que d'autres méthodes. Les recherches montrent que les alliages à haute entropie peuvent être conçus pour absorber plus d'hydrogène et rester stables, même après l'avoir absorbé et libéré plusieurs fois. Ils peuvent fonctionner à des températures et des pressions proches de celles de l'environnement.
Cependant, il n'est pas possible de compter uniquement sur des expériences pour développer des alliages à haute entropie pour stocker l'hydrogène. Il y a tellement de combinaisons d'éléments possibles que tester chaque alliage en laboratoire prendrait beaucoup trop de temps et coûterait très cher.
C'est là que la science informatique des matériaux devient importante. Les chercheurs peuvent simuler le comportement des atomes dans un matériau avant même de le fabriquer. Ils utilisent des techniques comme la théorie fonctionnelle de la densité. Cette méthode utilise les lois de la physique quantique et des calculs réalisés par des ordinateurs très puissants pour prédire comment les matériaux se comportent au niveau des atomes.
Ces modèles permettent de prévoir si un alliage sera stable, comment sa structure se formera et quelle sera la force du lien avec l'hydrogène. Ils aident les scientifiques à créer des matériaux avant même de les chauffer dans un four. Cette méthode réduit les coûts, accélère les découvertes et ouvre de nouvelles pistes de recherche et d'innovation technologique sans avoir besoin d'équipements coûteux.
En combinant les connaissances actuelles et en identifiant ce qu'il reste à découvrir, nos travaux proposent une direction pour utiliser les alliages à haute entropie dans le stockage de l'hydrogène.
Les ressources naturelles de l'Afrique et ses défis
L'Afrique est particulièrement bien placée pour en profiter. Le titane, le vanadium, le chrome et le manganèse sont quelques-uns des éléments extraits sur le continent qui sont utilisés dans les alliages à haute entropie.
Cependant, avoir des ressources minérales ne suffit pas pour fabriquer des produits de pointe. Le Fonds Monétaire International (FMI) indique que l'Afrique subsaharienne ne transforme pas encore beaucoup les minerais pour en tirer une grande valeur ajoutée. Elle rencontre des difficultés, notamment pour trouver du financement, avoir les bonnes compétences, développer ses infrastructures, ses systèmes énergétiques, ses réseaux de transport et ses capacités de transformation.
L'occasion est donc claire : les pays africains devraient essayer de transformer ces ressources en alliages de grande valeur, au lieu de les exporter brutes. Cela pourrait stimuler le développement industriel et apporter des bénéfices économiques.
Pour y parvenir, il faut investir dans la recherche, faciliter l'accès aux outils de calcul puissants et encourager une meilleure collaboration entre les entreprises, le gouvernement et les universités.
Michael Oluwatosin Bodunrin reçoit un financement de la Royal Society au Royaume-Uni.
Abdalrhaman Koko reçoit un financement de la Royal Society.
Nihad Omer reçoit un financement de la Royal Society.