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May 20, 2023

Les aimants frapperont les milliardaires de demain

Dans l'une des scènes les plus emblématiques de The Graduate, le jeune de Dustin Hoffman

Dans l'une des scènes les plus emblématiques de The Graduate, le jeune personnage de Dustin Hoffman, Benjamin Braddock, reçoit des conseils d'investissement non sollicités d'un ami de la famille : "les plastiques".

Rejouez cette scène aujourd'hui et l'impétueux Benjamin pourrait entendre un autre mot : aimants. Ces dernières années, l'humble aimant est devenu absolument essentiel pour un certain nombre d'industries modernes, des véhicules électriques aux éoliennes. C'est un bloc de construction de haute technologie sur lequel des fortunes seront faites.

L'histoire peu connue de la conquête du monde par les aimants ne se limite pas aux métaux exotiques et à la recherche de pointe. De plus en plus, c'est l'histoire de la géopolitique, avec des tensions croissantes entre la Chine et les États-Unis au cœur de l'histoire.

Avant la révolution industrielle, les seuls objets possédant des propriétés magnétiques permanentes étaient les magnétites : des morceaux de magnétite minérale. Les "pierres" étaient composées de trois parties de fer pour quatre parties d'oxygène, ainsi que d'une poignée d'autres ingrédients essentiels, notamment l'aluminium, le titane et le manganèse. Et last but not least, la foudre.

Lorsqu'un morceau de magnétite est frappé par un éclair venu du bleu, le champ magnétique de la foudre réorganise les ions dans la roche, conférant des propriétés magnétiques à sa surface. Ce phénomène remarquable aide à expliquer pourquoi les aimants naturels étaient des curiosités précieuses avant l'ère moderne.

À un moment donné à l'époque médiévale, quelqu'un a trouvé un autre moyen : frotter une aiguille de fer sur une magnétite et l'aiguille a également acquis des pouvoirs magnétiques. Cette découverte, qui a conduit à l'invention de la boussole, était sans doute la première utilisation pratique d'un aimant (bien qu'il convient de noter que certains médecins médiévaux croyaient également que les magnétites pouvaient guérir la calvitie et, en prime, servir d'aphrodisiaque).

Aux 18e et 19e siècles, les scientifiques ont découvert qu'un courant électrique traversant un fil imprégnait certains métaux de propriétés magnétiques. Les "électroaimants" résultants ont trouvé une place dans une gamme d'applications industrielles. Mais ils ne fonctionnaient que lorsque le courant était allumé, ce qui limitait leur utilité et incitait à rechercher d'autres aimants "permanents".

Les premières avancées sur les aimants en fer de base sont venues avec le développement d'alliages d'acier façonnés dans un champ magnétique. Ces alliages avaient beaucoup plus de puissance magnétique que les magnétites ordinaires, mesurées par une unité connue sous le nom d'oersteds (du nom du scientifique danois Hans Christian Ørsted). Mais ce n'était toujours pas suffisant pour jouer un rôle fiable dans n'importe quel type de moteur électrique.

Le Japon a pris les devants en 1918 et, dans les années 1930, avait développé une nouvelle génération d'aimants permanents en faisant lever du fer ordinaire avec de l'aluminium, du nickel et du cobalt - d'où le nom d'aimants Alnico. Ces méga-aimants ont frappé au-dessus de leur poids, produisant 400 oersteds contre 50 pour une simple magnétite. Puis vint la découverte que le recuit de ces alliages dans un champ magnétique multipliait encore leurs pouvoirs.

Le monde possédait désormais des aimants permanents qui pouvaient remplacer les électroaimants. Dans l'ère post-Seconde Guerre mondiale, ces nouveaux aimants ont rapidement trouvé un rôle croissant dans tout, des moteurs électriques aux capteurs, jauges de carburant, microphones et autres appareils.

En 1958, un scientifique des matériaux autrichien peu connu nommé Karl J. Strnat est arrivé aux États-Unis pour aider l'armée de l'air à développer des aimants encore plus puissants pour ses missiles et jets de pointe. Strnat avait une expertise dans un groupe ésotérique d'éléments connus sous le nom de terres rares, 15 éléments qui s'étendent sur une ligne horizontale sous le tableau périodique central, commençant par le lanthane et se terminant par le lutétium.

Bien qu'elles ne soient pas particulièrement rares, les terres rares étaient difficiles à traiter et à purifier. Mais de nouvelles méthodes inspirées du projet Manhattan ont permis aux chimistes d'extraire des terres rares individuelles en quantités considérables. Strnat et ses collègues sont devenus convaincus que les éléments étaient des candidats prometteurs pour une nouvelle génération d'aimants. Malheureusement, les éléments ont commencé à perdre leurs pouvoirs magnétiques lorsqu'ils se sont approchés de la température ambiante, ce qui a limité leur utilité.

Et si les terres rares étaient associées à un autre élément comme le cobalt ? Cette découverte - de "l'anisotropie magnétocristalline dans les composés intermétalliques de cobalt de terres rares" - est l'une des plus grandes réalisations de la science moderne des matériaux. Strnat et sa société avaient trouvé un moyen de fabriquer des aimants de terres rares fonctionnels.

S'il y avait une justice dans l'univers, il y aurait des statues de Strnat dans la Silicon Valley et d'autres centres de haute technologie. En l'espace de quelques années, son laboratoire et d'autres dynamisés par la découverte ont développé une gamme de nouveaux aimants aux terres rares. Certains d'entre eux, comme SmCo5 - une partie de samarium et cinq parties de cobalt - ont atteint 25 000 oersteds.

Dans un article publié en 1970, Strnat prévoyait que ses aimants aux terres rares seraient bientôt utilisés dans une gamme de produits, des «montres-bracelets électriques» aux tubes à micro-ondes; moteurs électriques et générateurs, même pour les "très grosses machines". Il a sous-estimé leur potentiel.

Le développement d'aimants "néodyme" de terres rares encore plus puissants au début des années 1980 a ouvert la porte à davantage d'applications. Les aimants de terres rares sont devenus omniprésents dans l'électronique, les systèmes d'armes, les téléphones portables, les appareils photo numériques, les disques durs et, enfin et surtout, les moteurs qui alimentent les voitures électriques.

Mais il y avait un problème. L'extraction et la purification des terres rares se sont révélées être une entreprise désordonnée, générant beaucoup de déchets et de polluants. Il était beaucoup plus facile de sous-traiter la production en Chine, qui abrite certains des gisements de terres rares les plus riches au monde. Ce n'était plus un problème après la fin de la guerre froide, lorsque la mondialisation a atteint des niveaux sans précédent. Désormais, les tensions avec la Chine augmentent, mettant en péril la fiabilité des approvisionnements.

Une partie de la solution réside dans l'accélération de la production de terres rares ici aux États-Unis. Mais si nous voulons réduire notre dépendance aux terres rares tout en produisant suffisamment d'aimants pour répondre à la demande croissante, nous allons avoir besoin d'un nouveau cycle d'innovation.

C'est déjà en cours, du moins en théorie. Les composites fer-nickel - en particulier la tétrataenite - sont très prometteurs en tant que matière première pour un nouvel aimant du 21e siècle. Des études récentes ont souligné le potentiel. La seule chose qui manque, c'est l'élément humain : un Karl J. Strnat des derniers jours pour se consacrer au défi.

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Stephen Mihm, professeur d'histoire à l'Université de Géorgie, est co-auteur de "Crisis Economics: A Crash Course in the Future of Finance".

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