Quelques métaux aux propriétés intéressantes

Il existe beaucoup de métaux et encore plus d’alliages de plusieurs métaux. Parmi eux, certains ont des propriétés hors du commun. Par exemple, le nitinol — alliage de nickel et de titane — est un métal super-élastique à mémoire de forme. Tous les métaux sont plus ou moins élastiques et plusieurs ont une certaine mémoire de forme, mais aucun n’est aussi impressionnant que le nitinol.
Pour le voir à l’œuvre, comprendre d’où vient ce phénomène et quelles sont les applications, je vous renvoie vers mon article dédié au nitinol.

Dans cet article, je vais vous parler de tout un tas d’autres métaux et alliages aux propriétés aussi bien étranges qu’utiles.

Le lithium et le magnésium

Commençons simplement : le lithium est le 3ᵉ élément du tableau périodique, et cela en fait un élément très léger. Il est principalement connu pour être utilisé dans les batteries au lithium (Li-ion ou Li-polymère).

Rien de nouveau pour le moment, mais il faut savoir que le lithium est léger. Très léger : en fait, avec une densité de 0,7, il flotte sur l’eau ! C’est un métal, mais il est 30 % plus léger que l’eau.

Enfin… il flotterait s’il n’était pas aussi réactif chimiquement. Le lithium fait partie de la première colonne du tableau périodique. Ceci signifie qu’il a comme tous les autres éléments de cette colonne (sodium, potassium, césium…) un électron dont il aimerait bien se débarrasser pour être stable. À cette fin, on peut dire qu’il force les autres molécules à accepter cet électron au cours d’une violente réaction chimique.

En pratique, si on met du lithium en contact avec de l’eau, ou même de l’air, il prend feu et explose instantanément. Il est donc extrêmement dangereux d’ouvrir l’emballage scellé d’une batterie au lithium.

Du coup, si vous aimez les matériaux un peu particuliers, je vous propose de vous tourner vers le magnésium métallique : si la légèreté du titane ou de l’aluminium comparé à l’acier, le cuivre ou le zinc vous étonne, vous le serez encore plus pour le magnésium ! C’est un métal très léger également, ce qui le rend amusant à manipuler, mais n’a pas la dangerosité du lithium.

Le magnésium est parfois utilisé en tant que tel pour des pièces métalliques où la légèreté est de mise : certains ordinateurs haut de gamme ont une carcasse alliant aluminium et magnésium pour la légèreté.

Dans un usage moins pacifique, il était utilisé dans des obus au sein d’un alliage nommé l’elektron : quand l’obus explosait, le magnésium prenait feu et ce dernier est impossible à éteindre, ce qui en fait une arme particulièrement barbare (dans le même genre les bombes au phosphore blanc).

L’argent

En plus d’être un métal précieux apprécié des joailliers, l’argent est le meilleur conducteur et thermique de tous les métaux purs. Il a aussi des propriétés utilisés en médecine ou en météorologie.
Un morceau d’argent, tout comme un bout de cuivre et d’or, apparaîtra très froid au toucher, tellement il conduit la chaleur de la main en dehors de celle-ci. Ce n’est pas pour rien qu’il est utilisé dans la pâte thermique dans les PC : la chaleur est un gros problème pour l’électronique et l’argent est alors nécessaire pour l’évacuer rapidement vers les refroidisseurs.

Le cuivre est autrement utilisé là où son prix plus faible le rend plus économique, et l’or le remplace sur les composants les plus critiques où l’absence d’oxydation le rend intéressant malgré son prix.

Le mercure

Le mercure est l’un des deux seuls éléments liquides à température et pression normales du tableau périodique (l’autre est le brome). Le mercure reste un métal : il est donc toujours conducteur d’électricité.

Le tout premier moteur électrique construit par Michael Faraday était une tige en cuivre suspendue qui trempait dans un bol de mercure : la tige pouvait tourner dans le mercure sans perdre le contact électrique. Seul un matériau conducteur et liquide pouvait, à l’époque, permettre cela.

Depuis, le mercure a été utilisé dans beaucoup d’appareils, les plus connus étant les sonnettes de portes. Bien avant l’électronique, le « driiing » était obtenu avec une ampoule de mercure qui oscillait. La fiole recevait également deux fils de cuivre : dans un sens, le mercure baignait les deux fils et fermait le circuit. Dans l’autre sens, le circuit était ouvert. En faisant tourner la fiole, on avait un contact interrompu ce qui permettait à une baguette de taper rapidement sur une clochette, d’où la sonnerie.

Le nitinol

Comme mentionné dans l’intro, j’ai déjà fait un article sur le nitinol, mais cela ne m’empêche pas de faire un petit résumé ici.

Cet alliage de nickel-titane a d’extraordinaires propriétés de super-élasticité : contrairement aux autres métaux, qui plient et conservent leur nouvelle forme, le nitinol peut reprendre sa forme même après une très forte déformation, un peu comme du caoutchouc. Le nitinol reste un métal, et est donc conducteur électrique, thermique et bien plus solide que le caoutchouc.

Il peut même être traité pour que la reprise de forme se fasse à une température donnée : en dessous, le nitinol garde la forme qu’on lui donne en le pliant, au-dessus, il revient à sa forme donnée lorsqu’il a été fondu initialement. On parle de mémoire de forme.

Je vous invite à lire l’article dédié pour des détails sur le fonctionnement du nitinol et pour davantage d’exemples d’utilisations.

Le µ-métal et le permalloy

La lettre grecque Mu, $\mu$, est le symbole physique de la perméabilité magnétique d’un matériau. J’en parle dans mon article sur la vitesse de la lumière car la perméabilité magnétique du vide est l’une des deux constantes du vide qui donnent à la lumière sa vitesse dans le vide.

Pour un matériau, la perméabilité magnétique traduit sa capacité à canaliser les champs magnétiques. Un matériau de perméabilité magnétique faible laisser passer sans absorber ou dévier les champs magnétiques. Un matériau avec une très forte perméabilité magnétique ira au contraire dévier le champ magnétique comme une fibre optique dévie la lumière.

Le mu-métal est un alliage de fer et de nickel avec une perméabilité magnétique exceptionnellement élevée : il redirige quasi-intégralement tous les champs magnétiques qui lui sont appliquées. En pratique, si on place une boussole dans une boîte faite de mu-métal, alors on pourrait agiter un aimant à côté de la boîte, cela ne fera pas dévier la boussole. Mieux : placé dans la boîte, la boussole ne verrait même pas le champ magnétique terrestre !

Le mu-métal est donc un peu un isolant magnétique. Il est utilisé en tant que blindage magnétique pour certains bâtiments de recherche ou industriels. Il entre aussi dans la structure des blindages pour certains câbles de télécommunication sous-marins : ces câbles traversent des océans et à cette échelle ils doivent être fortement protégés, y compris contre les perturbations magnétiques.

Le permalloy est un autre matériau (développé par un autre laboratoire) aux mêmes propriétés, également à base de nickel et de fer, mais avec des inclusions de molybdène et de manganèse.

L’invar, l’élinvar et le kovar

Tous les éléments ont tendance à réagir à la température. Sans aller jusqu’à fondre, encore heureux, les métaux ont tendance à se dilater sous l’effet de la chaleur, même faible.
Ainsi, la Tour Eiffel voit son sommet bouger d’une quarantaine de centimètre au cours d’une journée d’été, à cause de sa structure métallique et de la variation d’exposition au soleil ! Certains viaducs se dilatent également et c’est pour cela qu’il peut y avoir des espaces dans la route au niveau de la jonction du pont avec la terre ferme. Cet espace est bien visible en hiver, quand le pont est contracté à cause du froid.

Bien entendu, il existe des alliages qui ne se dilatent que très très peu sous l’effet de la température. L’invar, composé de fer et de nickel, est le plus connu.
Il est utilisé dans des pièces avec de grandes contraintes dimensionnelles : le prototype international du pouce (la longueur) est par exemple en invar, pour éviter que cette référence ne varie avec la température.

Les propriétés géométriques ne sont pas les seules à évoluer avec la température.

Parfois, on cherche à avoir un métal dont c’est l’élasticité qui doit rester constante. Dans ce cas-là, on utilisera de l’élinvar (composé de fer, de nickel, et de chrome).
L’élinvar est utilisé pour les ressorts des balances, des montres ou des chronomètres de précision : en effet, si la température joue sur l’élasticité du ressort, elle influerait sur la mesure de poids ou de temps obtenue à partir de ces instruments. Avec l’élinvar, la température n’influe plus sur la mesure.

Enfin, citons le kovar : un alliage, dont le coefficient de dilatation est très proche de celui du verre. Il est employé avec du verre afin d’éviter que deux pièces (en verre et en métal) ne subissent des déformations différentes sous l’effet de la température, ce qui aurait pour effet de dérégler les dispositifs où on l’utilise. Diodes, lampes à incandescence, montures de verres pour télescopes spatiaux, contiennent des pièces en kovar.

Le constantan

Un autre paramètre variant avec la température est la résistance électrique. Si bien que certains composants servent à mesurer la température avec la résistance (c’est le cas d’un thermostat comportant une thermistance).

Le constantan (alliage de cuivre et de nickel), a une résistance qui ne varie quasiment pas avec la température. C’est utile pour produire des résistances chauffantes ou des thermocouples de précision, là où la température pourrait fausser la mesure même de la température si l’on se servait d’un autre métal ou alliage.

L’élektrum

À ne pas confondre avec l’élektron, mentionné plus haut.

Sous ce nom électrique se cache un alliage précieux d’or et d’argent en proportions allant de 20 à 80 % d’or et donc aussi d’argent. Ce n’est qu’une dénomination informelle, pas un terme technique utilisé en joaillerie (comme « l’or blanc » ou « l’or vert »).

Cet alliage peut se trouver à l’état naturel parmi certains gisements d’or et d’argent, formé quand ces métaux ont figé ensemble. C’est un alliage utilisé depuis la préhistoire, quand il était trouvé naturellement.
Je l’ai mis dans cette liste pour le nom assez mystique.

L’AlON (ou ALON)

AlON provient de sa composition chimique : oxynitrure d’aluminium.

Ce n’est pas vraiment un métal (plutôt une céramique), mais il est composé majoritairement d’aluminium. Il est parfois appelé « aluminium transparent », en référence à Star Trek. C’est un matériau transparent comme le verre, mais beaucoup plus résistant : sa dureté approche celle du saphir (ce qui n’est pas tellement étonnant, car le saphir est une forme d’oxyde d’aluminium cristalline).

L’AlON permet par exemple de réduire l’épaisseur d’une vitre blindée par trois par rapport au verre, pour une protection contre les balles identiques. L’AlON blinde également contre les radiations et les acides ou les bases, et a l’avantage par rapport au verre d’être transparent aux infrarouges, qui ce qui peut être utile dans certaines applications, comme les missiles thermoguidés.

Le galinstan

Le galinstan tire son nom de ses constituants : gallium, indium, étain, ou stannum, en latin, qui a aussi donné son symbole Sn à l’étain.
À l’instar du mercure, cet alliage métallique est liquide à température ambiante, mais contrairement à lui, il n’est pas toxique.

Le truc étonnant du mélange gallium-indium (également liquide) est qu’il est possible de l’obtenir en frottant un bout de gallium solide sur un bout d’indium solide ! Ce phénomène, qui permet à un mélange de plusieurs constituants de rester liquide alors que les constituants pris purs seraient solides, est le phénomène des mélanges eutectiques.

Le sel qui maintient l’eau liquide jusqu’à −21 °C ou le mélange dans les cuillères à glace eutectiques fonctionnent grâce à ce phénomène.

Certains matériaux de soudure, en particulier la soudure à l’étain, emploient également des compositions eutectiques pour réduire la température de fusion du métal d’apport. Il n’est pas rare que les fils de soudure à l’étain pour l’électronique soient un mélange plomb-étain (plus faciles à souder, moins chers, mais toxiques à l’usage à cause du plomb).

Le duralium

Découvert par hasard au début du XXᵉ siècle, le duralium est un alliage composé à 95 % d’aluminium, auquel est ajouté du cuivre (4 %), du magnésium (0,5 %) et du manganèse (0,5 %). Sa particularité est d’être souple et ductile mais de devenir très dur après la trempe. Il est également très léger en raison de l’aluminium qui reste son principal constituant.

Il était largement utilisé dans les avions depuis le début de l’aviation.

Metglas, vitreloy, liquidmetal et liquimorphium

Tous ces alliages divers et complexes (le vitreloy est par exemple composé de zirconium, titane, cuivre, nickel et béryllium) ont la particularité d’êtres amorphes, comme le verre.

La quasi-totalité des métaux sont de structure cristalline, soit entièrement, soit de façon locale, mais cristalline quoi qu’il en soit. Les atomes y sont organisés de façon régulière : arrangement cubique, hexagonal, etc.

Le verre, celui de la vie courante, possède une structure amorphe : les atomes sont liés de façon incohérente et désordonnés. En règle générale, ceci donne une résistance incroyable à la matière, car le matériau ne possède aucun plan de brisure privilégié, comme dans un cristal. Le verre est cassant seulement à cause de ses imperfections (bulles, inclusions, fissures préexistantes…) : un verre à pied en verre « théorique » casserait le carreau sur lequel on le ferait tomber.

La trempe de l’acier consiste à refroidir brutalement un acier chauffé pour éviter l’agglutination des noyaux de carbone, et les forcer à rester au sein des cristaux de fer. Le cristal de fer ainsi formé possède une tension dans la structure moléculaire, le rendant plus dur. Ceci-dit, la structure en elle-même reste cristalline.

Les métaux présentés ici, Metglas, Vitreloy… sont au contraire des métaux vitreux. Ils sont très durs et possèdent une résistance mécanique exceptionnelle.

Les produire reste très difficile : il s’agit d’alliages chauffés puis soumis à un refroidissement extrêmement rapide, de l’ordre d’un million de degrés par seconde ! Ceci empêche la réorganisation des atomes en un maillage cristallin et les fige immédiatement au sein de la structure moléculaire amorphe.

Durant longtemps, ces matériaux n’ont pu être produits qu’en films fins ou pour de très petites pièces en raison du besoin de ce refroidissement si rapide impossible à obtenir dans une pièce massive. Leur emploi était donc réservé à des pièces d’horlogerie pour les montres de luxe, des clés USB « indestructibles » ou des pièces médicales.

D’autres alliages vitreux ont depuis été découverts et plus simples à produire. Ces derniers servent par exemple à des équipements sportifs haut de gamme (clubs de golf, raquette de tennis…).
On reste encore loin de la possibilité de produire des voitures ou des avions en métal amorphe. Mais il est peu probable qu’on y arrive un jour : on préférera plutôt le carbone pour cela, bien plus léger et tout aussi dur.

À noter : le « cristal » tel qu’on l’entend dans la phrase « un verre en cristal » est simplement du verre auquel on a incorporé du plomb. Malgré le nom de « cristal », sa structure moléculaire reste amorphe et il s’agit donc d’un verre.

Photo d’en-tête : travail personnel

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