Les électrons cachés des terres rares rendent possible une grande partie de la technologie moderne

Le Shanghai Transrapid est un train à sustentation magnétique (maglev) à grande vitesse qui se déplace à des vitesses allant jusqu'à 430 kilomètres (270 miles) par heure. Les aimants nécessaires à de tels systèmes reposent sur des métaux des terres rares. Six chemins de fer proposent actuellement un service maglev à grande vitesse et à faible consommation d'énergie.

Christian Petersen-Clausen/Moment ouvert/Getty Images Plus

Par Nikk Ogasa

4 mai 2023 à 6h30

Le premier volume de la série Dune de Frank Herbert a fait ses débuts en 1965. L'exploitation d'une substance naturelle précieuse appelée mélange d'épices était un thème moteur de cette saga spatiale épique. Cette épice donnait aux humains la capacité de naviguer dans de vastes étendues du cosmos. C’est également devenu la base d’une civilisation intergalactique. C’était bien sûr une fiction.

Ici sur Terre, dans la vraie vie, un groupe d'éléments métalliques a rendu possible notre propre société axée sur la technologie. Appelés terres rares, ces 17 éléments sont cruciaux pour presque tous les appareils électroniques modernes. Et la demande pour ces métaux est montée en flèche.

Quinze terres rares constituent une rangée entière dans la plupart des tableaux périodiques. Connus sous le nom de lanthanides, ils vont du lanthane au lutétium – numéros atomiques 57 à 71. Les terres rares comprennent également le scandium (numéro atomique 21) et l'yttrium (numéro atomique 39). Ces deux derniers éléments ont tendance à se trouver dans les mêmes gisements de minerai que les lanthanides. Ils ont également des propriétés chimiques similaires.

Le cérium des terres rares peut servir de catalyseur pour transformer le pétrole brut en une multitude de produits utiles. Les réacteurs nucléaires en dépendent un autre : le gadolinium. Il capte les neutrons pour contrôler la production d'énergie par le combustible d'un réacteur.

Mais les capacités les plus remarquables des terres rares sont leur luminescence et leur magnétisme. Par exemple, nous utilisons des terres rares pour colorer les écrans de nos smartphones. Ils émettent une fluorescence pour indiquer que les billets en euros sont la vraie affaire. Ils relaient les signaux via des câbles à fibres optiques le long du fond marin. Ils contribuent également à la construction de certains des aimants les plus puissants et les plus fiables au monde. Ces métaux génèrent des ondes sonores dans vos écouteurs et boostent les données numériques à travers l'espace.

Plus récemment, les terres rares ont stimulé la croissance des technologies vertes, telles que l’énergie éolienne et les véhicules électriques. Ils pourraient même donner naissance à de nouvelles pièces utilisées dans les ordinateurs quantiques.

«Ils sont partout», déclare Stephen Boyd à propos de ces métaux. Il est chimiste de synthèse et consultant indépendant basé à Dixon, en Californie. En ce qui concerne l'utilisation des terres rares, dit-il : « La liste s'allonge encore et encore. »

Les terres rares ont tendance à être malléables (faciles à déformer). Ces métaux ont également des points de fusion et d’ébullition élevés. Mais leur pouvoir secret réside dans leurs électrons.

Tous les atomes ont un noyau entouré d'électrons. Ces minuscules électrons habitent des zones appelées orbitales. Les électrons situés dans les orbitales les plus éloignées du noyau sont appelés électrons de valence. Ils participent à des réactions chimiques et forment des liaisons qui relient les atomes entre eux.

La plupart des lanthanides possèdent un autre ensemble important d’électrons. Ces « électrons f » habitent dans une zone Boucle d’or. Il est situé près des électrons de valence mais légèrement plus près 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. Elle est chimiste inorganique à l'Université du Nevada à Reno.

Lorsqu’ils sont stimulés, les métaux des terres rares émettent de la lumière. L'astuce consiste à chatouiller leurs électrons f, explique de Bettencourt-Dias. Une source d'énergie telle qu'un faisceau laser peut secouer un électron f dans un élément de terre rare. L’énergie propulse l’électron dans un état excité. Plus tard, il reviendra à son état de départ – ou fondamental. Ce faisant, ces électrons f émettent de la lumière.

Le groupe de 17 éléments (surlignés en bleu sur ce tableau périodique) est connu sous le nom de terres rares. Un sous-ensemble d’entre eux, connu sous le nom de lanthanides – lutécium, Lu, plus la rangée commençant par le lanthane, La – apparaît sur une seule rangée. Les éléments des terres rares possèdent une sous-couche d’électrons (appelés électrons f) qui confèrent à ces métaux des propriétés magnétiques et luminescentes.