Direction et orientation nouvelles dans le laboratoire de l’Empa Chimie du solide et catalyse

Vers de nouveaux matériaux pour les énergies de substitution

17 août 2006 | MARTINA PETER

«La plupart des découvertes sont dues au hasard. Nous désirons modifier de manière ciblée et contrôlée les propriétés de matériaux tout en laissant assez de place au hasard». C’est ainsi que Anke Weidenkaff, qui dirige depuis le 1 mai 2006 le Laboratoire Chimie du solide et catalyse de l’Empa, décrit sa démarche dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels pour la transformation de l’énergie et les technologies de l’environnement.

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C’est arrivé lors d’une conférence scientifique; Anke Weidenkaff, qui avait étudié la chimie à Kiel et à Hambourg, entra en conversation avec un spécialiste en chimie solaire, fut fascinée par ce qu’elle entendit et sut immédiatement que «son» domaine de recherche serait les sources d’énergie de substitution. Depuis lors elle s’occupe de différentes substances solides capables de transformer une forme d’énergie en une autre. Après son travail de doctorat à l’Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen et à l’EPF de Zurich ainsi qu’un séjour postdoc en France au Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire du CNRS à Font-Romeu, elle passe son habilitation à l’Université d’Augsbourg et est professeure invitée à l’Université de Caen. Elle travaille depuis la fin 2003 à l’Empa.

De la direction d’un groupe à la tête d’un laboratoire

A l’Empa elle crée le groupe «Chimie du solide» qui a fut le premier en Suisse à se lancer dans le développement de composés thermoélectriques de type pérovskite. «Cela progresse très bien» déclare Anke Weidenkaff. «Après peu de temps déjà, nous avons commencé à jouer un rôle important dans la recherche sur les pérovskites et nous avons créé la «Conférence internationale sur les pérovskites». Les pérovskites – un matériau céramique possédant une structure cristalline particulière – peuvent entre autres s’utiliser comme convertisseur d’énergie pour transformer l’énergie mécanique ou thermique en électricité. La recherche sur les pérovskites est un domaine de recherche qui a le vent en poupe. Chaque année plus de 2500 articles sont publiés dans des revues scientifiques sur ces composés qui sont ainsi devenus une des classes de matériaux les plus importantes de la chimie.

Au printemps 2006, après un appel à candidature international, la direction de l’Empa a nommé Anke Weidenkaff à la tête du Laboratoire Chimie du solide et catalyse. Après maintenant plus de 100 jours dans sa nouvelle fonction, elle pense que cette nouvelle position ne présente pas de grande différence par rapport à son travail précédent en tant que cheffe de groupe. «L’essentiel pour un laboratoire est que son équipe travaille en commun avec motivation et compétence. Il va de soi que mes collaboratrices et collaborateurs remplissent ces exigences, nous pouvons compter les uns sur les autres.»

La recherche sur les matériaux au service de l’environnement

Le nom du laboratoire est aussi son programme. «La chimie du solide constitue la base à partir de laquelle nous progressons vers les applications et le design de matériaux pour les technologies de la transformation de l’énergie et des technologies de l’environnement» explique Anke Weidenkaff. «Ce n’est que lorsque nous sommes parvenus à une connaissance fondamentale des propriétés des matériaux que nous pouvons produire de manière ciblée des matériaux présentant des caractéristiques désirées bien déterminées.» L’étude de la structure des matériaux, de leurs propriétés et de leurs interactions est le lien qui réunit les trois groupes «chimie du solide», «analyse du solide» et «catalyse du solide».

Un domaine important de la recherche est la «confection sur mesure» de convertisseurs d’énergie qui transforment par exemple la chaleur du rayonnement solaire en énergie électrique. La conversion d’énergie repose sur le transport d’électrons ou d’ions qui fonctionnent comme «porteurs d’énergie». Anke Weidenkaff et son équipe étudient comment ces particules chargées sont transportées dans les solides et comment il est possible de contrôler ce transport d’énergie. Dans cela, les chercheuses et chercheurs travaillent avec des matériaux d’un type nouveau à structure pérovskite développés à l’Empa ainsi qu’avec des nanotubes de carbone. «Notre défi c’est de parvenir à utiliser de manière optimale les divergences entre réactivité et stabilité d’un matériau» déclare avec enthousiasme cette chimiste. A cet égard les matériaux dits mésoporeux, possédant des pores d’une taille de 2 à 50 nanomètres, semblent très prometteurs. Du fait de leur fine structure poreuse, ces matériaux présentent une surface spécifique élevée qui les rend très réactifs. Comme les matériaux mésoporeux sont en même temps stables, ils sont vraiment prédestinés pour transformer l’énergie chimique des réactions dites redox – telles qu’elles se déroulent entre autres dans les piles à combustible – en une autre forme d’énergie.

Le groupe Catalyse se consacre lui à l’étude des moyens de réduire, voire même d’empêcher, les émissions de polluants provoquées par l’homme. Ce groupe se consacre entre autres à la recherche sur de nouveaux matériaux et technologies permettant d’assurer une combustion «propre» du gaz naturel ainsi que sur des matériaux de substitution pour les catalyseurs de gaz d’échappement à métaux nobles. Ceci parce que le palladium, le platine ou le rhodium – utilisés dans les catalyseurs conventionnels – sont des matières premières très chères et dont les réserves ne sont pas inépuisables. Anke Weidenkaff est d’avis que les matériaux de type pérovskite sont là une solution de remplacement possible.

Ce laboratoire avec sa nouvelle orientation n’est pas seulement très bien inséré dans les réseaux de l’Empa, à côté de projets communs avec le PSI et le Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT) à Caen, il entretient encore des contacts avec l’Université d’Augsbourg et une collaboration avec l’’Académie des sciences de Prague se dessine à l’horizon.

Du plaisir à la formation de la relève scientifique

Actuellement Anke Weidenkaff dirige les thèses de quatre doctorants originaires de France, d’Espagne, de Biélorussie et de Russie ainsi que le travail de diplôme d’une étudiante suisse. «Cette tâche me plait beaucoup, et ces jeunes gens remportent du succès dans leur travail», déclare-t-elle. Comme nos doctorantes et doctorants ne doivent pas, comme dans une université, diriger des travaux pratiques, ils s’occupent encore d’autres tâches à côté de leur travail de recherche.» Ils organisent ainsi par exemple à l’Empa des séminaires et des ateliers de travail «hands-on» pour l’apprentissage de nouvelles méthodes de caractérisation des solides ou du travail avec de nouveaux programmes d’ordinateur ou encore pour y discuter de leurs projets avec des experts invités.

Auteur:

Daniela Wenger

Informations

Dr. Anke Weidenkaff, Laboratoire Chimie du solide et catalyse, tél. +41 44 823 4131,

Rédaction (texte et photos)

Sabine Voser, Section Communication, tél. +41 44 823 45 99,