Comment les éléments des terres rares rendent possible la technologie moderne

En août, la Chine a achevé la construction d'une ligne de train à sustentation magnétique qui utilise des aimants fabriqués à partir d'alliages de terres rares pour faire léviter les wagons sans consommer d'électricité.

Xinhua/Alay Banque D'Images

Par Nikk Ogasa

16 janvier 2023 à 8h00

Dans l'opéra spatial Dune de Frank Herbert, une substance naturelle précieuse appelée mélange d'épices donne aux gens la capacité de naviguer dans de vastes étendues du cosmos pour construire une civilisation intergalactique.

Dans la vraie vie ici sur Terre, un groupe de métaux naturels connus sous le nom de terres rares a rendu possible notre propre société propulsée par la technologie. La demande pour ces composants essentiels dans presque tous les appareils électroniques modernes monte en flèche.

Les terres rares répondent à des milliers de besoins différents : le cérium, par exemple, est utilisé comme catalyseur pour raffiner le pétrole et le gadolinium capte les neutrons dans les réacteurs nucléaires. Mais les capacités les plus remarquables de ces éléments résident dans leur luminescence et leur magnétisme.

Nous comptons sur les terres rares pour colorer les écrans de nos smartphones, émettre une fluorescence pour signaler l’authenticité des billets en euros et relayer les signaux via des câbles à fibres optiques à travers le fond marin. Ils sont également essentiels à la construction de certains des aimants les plus puissants et les plus fiables au monde. Ils génèrent des ondes sonores dans vos écouteurs, stimulent les informations numériques à travers l'espace et modifient les trajectoires des missiles à recherche de chaleur. Les terres rares stimulent également la croissance des technologies vertes, telles que l’énergie éolienne et les véhicules électriques, et pourraient même donner naissance à de nouveaux composants pour les ordinateurs quantiques.

«La liste s'allonge encore et encore», explique Stephen Boyd, chimiste de synthèse et consultant indépendant. "Ils sont partout."

Les terres rares sont les lanthanides – le lutécium et les 14 éléments entre le lanthane et l’ytterbium sur une rangée du tableau périodique – plus le scandium et l’yttrium, qui ont tendance à se trouver dans les mêmes gisements de minerai et ont des propriétés chimiques similaires à celles des lanthanides. Ces métaux gris à argentés sont souvent malléables avec des points de fusion et d’ébullition élevés.

Leurs pouvoirs secrets résident dans leurs électrons. Tous les atomes ont un noyau entouré d’électrons qui habitent des zones appelées orbitales. Les électrons situés dans les orbitales les plus éloignées du noyau sont les électrons de valence, qui participent aux réactions chimiques et forment des liaisons avec d'autres atomes.

La plupart des lanthanides possèdent un autre ensemble important d'électrons appelés « électrons f », qui habitent dans une zone Boucle d'or située près des électrons de valence mais légèrement plus proche du noyau. "Ce sont ces électrons F qui sont responsables des propriétés magnétiques et luminescentes des éléments des terres rares", explique Ana de Bettencourt-Dias, chimiste inorganique à l'Université du Nevada à Reno.

Les terres rares sont un groupe de 17 éléments (surlignés en bleu dans le tableau périodique). Un sous-ensemble de terres rares connu sous le nom de lanthanides (lutétium, Lu, plus la rangée commençant par le lanthane, La) contient chacun une sous-couche qui abrite généralement des électrons f, qui confèrent aux éléments des propriétés magnétiques et luminescentes.

Le long de certaines côtes, la mer nocturne brille parfois d'un vert bleuâtre alors que le plancton bioluminescent est bousculé par les vagues. Les métaux des terres rares émettent également de la lumière lorsqu’ils sont stimulés. L'astuce consiste à chatouiller leurs électrons f, explique de Bettencourt-Dias.

En utilisant une source d'énergie comme un laser ou une lampe, les scientifiques et les ingénieurs peuvent propulser l'un des électrons f d'une terre rare dans un état excité, puis le laisser retomber dans la léthargie, ou son état fondamental. "Lorsque les lanthanides reviennent à l'état fondamental", dit-elle, "ils émettent de la lumière".

Chaque terre rare émet de manière fiable des longueurs d’onde de lumière précises lorsqu’elle est excitée, explique de Bettencourt-Dias. Cette précision fiable permet aux ingénieurs d’ajuster soigneusement le rayonnement électromagnétique dans de nombreux appareils électroniques. Le terbium, par exemple, émet de la lumière à une longueur d’onde d’environ 545 nanomètres, ce qui le rend idéal pour fabriquer des phosphores verts sur les écrans de télévision, d’ordinateurs et de smartphones. L'europium, qui a deux formes courantes, est utilisé pour fabriquer des phosphores rouges et bleus. Ensemble, ces luminophores peuvent peindre des écrans avec la plupart des nuances de l'arc-en-ciel.