Nitrures de fer : des aimants puissants sans éléments de terres rares

Depuis leur apparition relativement récente sur la scène commerciale, les aimants aux terres rares ont fait sensation dans l’imaginaire du public. La quantité d’énergie magnétique contenue dans ces minuscules objets brillants a conduit à des avancées technologiques qui n’étaient pas possibles avant leur apparition, comme les moteurs vibrants des téléphones portables ou les minuscules haut-parleurs des écouteurs et des appareils auditifs. Sans parler des moteurs des véhicules électriques et des générateurs des éoliennes, ainsi que des innombrables utilisations médicales, militaires et scientifiques.

Ces progrès ont cependant un coût, car les éléments de terres rares nécessaires à leur fabrication sont de plus en plus difficiles à trouver. Ce n’est pas que les éléments des terres rares comme le néodyme soient si rares géologiquement ; au contraire, les dépôts sont inégalement répartis, ce qui fait que les métaux deviennent facilement des pions dans un jeu d’échecs géopolitique sans fin. De plus, les extraire de leurs minerais est une affaire délicate à une époque de sensibilité accrue aux considérations environnementales.

Heureusement, il existe plusieurs façons de fabriquer un aimant, et il sera peut-être bientôt possible de construire des aimants permanents aussi puissants que les aimants en néodyme, mais sans aucun métal des terres rares. En fait, la seule chose nécessaire pour les fabriquer est du fer et de l’azote, ainsi qu’une compréhension de la structure cristalline et une certaine ingéniosité technique.

Pour commencer, qu’est-ce qu’un aimant permanent ? Comme pour beaucoup de questions simples sur la nature, il n’existe pas de réponse facile qui ne nécessite pas beaucoup d’agitation de la main. Même les physiciens finissent par arriver à un point où leur réponse se résume à : « Nous ne savons tout simplement pas ». Mais cela ne signifie pas que le magnétisme est un mystère complet, et les choses que nous savons à son sujet sont assez simples et aident réellement à comprendre le fonctionnement des aimants de terres rares et de leurs alternatives.

Nous avons déjà abordé les bases du magnétisme, mais pour résumer, toute particule chargée, comme un électron, possède ce qu'on appelle un moment magnétique intrinsèque, ce qui signifie qu'elle agit comme de petits aimants. Dans les atomes dont la couche électronique est remplie, ces moments magnétiques s’annulent car chaque paire d’électrons a des moments qui pointent dans des directions opposées. Mais dans les atomes avec des électrons non appariés dans leur coque externe, rien ne peut annuler les moments magnétiques, ce qui signifie que ces éléments sont magnétiques. Ces éléments ont tendance à provenir de deux zones spécifiques du tableau périodique : les métaux du bloc D comme le cobalt, le nickel et le fer, et les actinides du bloc F, les lanthanides, qui comprennent les métaux des terres rares comme le samarium, le néodyme et le praséodyme.

Cependant, un aimant ne se limite pas à la provenance de ses ingrédients dans le tableau périodique. Le magnétisme consiste à aligner tous ces moments magnétiques intrinsèques et à agir dans la même direction. Tout comme les électrons d’un atome d’un élément magnétique ne doivent pas se battre, les atomes doivent également s’organiser de manière à ce que leurs moments magnétiques soient tous orientés dans la même direction. C'est ce qu'on appelle une anisotropie magnétique élevée et c'est l'une des caractéristiques des aimants puissants. Les métaux des terres rares comme le néodyme ont une anisotropie magnétique très élevée, ce qui contribue à la force des aimants des terres rares.

Mais les métaux des terres rares à eux seuls constituent des aimants assez médiocres, du moins sur le plan pratique. Cela est dû à leur point de Curie relativement bas, qui est la température au-dessus de laquelle une substance perd ses propriétés magnétiques. À température ambiante, une barre de néodyme pure ne serait pas du tout un aimant. En fait, il faudrait qu’il soit refroidi en dessous de 20 K pour avoir des propriétés magnétiques. Pour contourner ce problème, les métaux des terres rares sont mélangés à d’autres éléments ferromagnétiques pour former des alliages dotés d’une forte coercivité magnétique tout en ayant un point de Curie décent. L'alliage magnétique de terres rares le plus courant, une combinaison de fer, de néodyme et de bore, a une température de Curie comprise entre 300 et 400 °C, selon le mélange exact d'éléments.

Pour aller plus loin dans le terrier du magnétisme, il faut se familiariser avec les concepts de cristallographie. Il s’agit d’un sujet diaboliquement compliqué, avec une nomenclature et une terminologie qui prêtent à confusion car elles semblent identiques à la notation standard des formules chimiques, mais ce n’est clairement pas le cas. Une compréhension complète de la façon dont l’ajout de néodyme au fer produit un puissant aimant permanent et de la manière dont il est possible de fabriquer un aimant puissant sans terre rare nécessiterait une plongée plus profonde dans la cristallographie que ce dont nous disposons ici. Heureusement, les bases suffiront, ainsi qu’un petit signe de la main. Et le mérite revient ici à mon ami Zachary Tong, qui a contribué et m'a aidé à comprendre ces sujets difficiles.