Le gel peut sembler banal, mais il cause des ravages dans le secteur aérospatial. Le graphène pourrait changer cela.

Chaque année, le gel apparaît et crée un paysage beau et serein. Cette fine couche de glace se forme sur une surface solide comme le sol lorsque la température descend au point de congélation ou en dessous.

Lorsque l’air contient plus de vapeur d’eau qu’il ne peut en retenir à une température donnée, le gel se forme.

Bien qu’il soit beau, le gel est également potentiellement dangereux. Non seulement il peut être pénible à enlever des surfaces glissantes, mais il entraîne également d’autres problèmes graves tels que la détérioration des capteurs des véhicules, la réduction de l’efficacité énergétique des réfrigérateurs et congélateurs, un poids supplémentaire sur les lignes électriques pouvant provoquer des pannes et endommager votre précieux potager et jardin de fleurs.

Ce n’est pas tout. Le gel affecte également les aéronefs en augmentant la vitesse de décrochage, en diminuant l’efficacité du contrôle et en déstabilisant le tangage, ce qui peut entraîner des accidents. Il perturbe également les décollages en modifiant les caractéristiques aérodynamiques des ailes, rendant les vols dangereux voire impossibles.

Alors que Tony Stark dans Iron Man peut être capable d’utiliser l’accumulation de glace sur son costume à son avantage contre son adversaire, cela n’est tout simplement pas possible pour nous dans la vie quotidienne.

Ce dont nous avons besoin est une solution efficace à ce problème de plusieurs centaines de milliards de dollars, et des ingénieurs de l’Université Northwestern en ont trouvé une. Ils ont développé une stratégie qui empêche la formation du gel dès le départ.

Obtenir des zones sans gel pendant de longues périodes

Alors, quelle est la solution ? Eh bien, l’un des principaux composants de la solution que les ingénieurs de NU ont découvert tourne autour du graphène.

Extrait du graphite, le graphène est composé de carbone pur, l’un des éléments naturels les plus importants et le quatrième le plus abondant.

Ce matériau est particulièrement connu pour sa légèreté. À un seul atome d’épaisseur, le graphène est le composé le plus fin connu. Il est également très résistant, environ 100 à 300 fois plus fort que l’acier. En plus de sa flexibilité, le graphène est le meilleur conducteur d’électricité et est réputé pour son absorption uniforme de la lumière.

Toutes ces caractéristiques offrent au graphène des applications prometteuses dans des domaines tels que les composites, l’électronique, les capteurs et l’imagerie, l’énergie, les télécommunications et les technologies biomédicales.

Les chercheurs de l’Université Northwestern utilisent maintenant ce matériau pour lutter contre le gel. Plus précisément, ils utilisent l’oxyde de graphène (GO), un composé proposé il y a plus d’un siècle et demi et utilisé ces dernières années comme matériau de départ potentiel pour la production de masse de graphène.

Ce nanomatériau à base de carbone, connu bien avant le graphène, est produit par oxydation chimique du graphite naturel à l’aide d’oxydants puissants.

Dans la nouvelle étude, les ingénieurs ont découvert qu’en modifiant la texture d’une surface puis en ajoutant une fine couche de GO, on empêche complètement la formation de gel sur les surfaces pendant une semaine, voire plus longtemps.

Ce que fait l’oxyde de graphène, c’est qu’il attire puis piège la vapeur d’eau — l’eau sous forme gazeuse — à l’intérieur de sa structure, empêchant ainsi efficacement l’eau de geler. Lorsqu’il est combiné à une surface macrotexturée, il entraîne une période prolongée de supersaturation élevée.

Cette prévention du gel pendant une semaine est mille fois plus longue que ce qui est atteint par les surfaces anti-gel avancées existantes. De plus, le nouveau design de surface, qui est évolutif, résiste également aux rayures, aux fissures et à la contamination.

Intégrer cette surface texturée dans les infrastructures peut aider les entreprises et les gouvernements à économiser des milliards de dollars chaque année grâce à l’amélioration de l’efficacité énergétique et à éviter les coûts de maintenance, estiment les chercheurs. Selon le responsable de l’étude Kyoo‑Chul Kenneth Park, professeur assistant de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de NU:

“L’accumulation indésirable de gel est une préoccupation majeure dans les secteurs industriels, résidentiels et gouvernementaux.”

Cette année fiscale, l’université a obtenu un financement record de 1,05 milliard de dollars en recherche, soit une hausse de 5 % par rapport à l’année précédente.

Park a souligné que la crise énergétique de 2021 au Texas a coûté la somme astronomique de 195 milliards de dollars en dommages, résultat direct de la glace, du gel et des conditions de froid extrême pendant plus de 5 jours, affectant 4,5 millions de foyers.

“Il est donc crucial de développer des techniques anti‑gel, robustes pendant de longues périodes dans des conditions environnementales extrêmes.”

– Park, affilié du corps professoral de l’International Institute for Nanotechnology et du Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Cependant, nous avons besoin non seulement de techniques anti‑gel, mais aussi de solutions faciles à fabriquer et à mettre en œuvre. Dans cet esprit, les chercheurs ont créé leur méthode hybride anti‑gel, qui est durable, évolutive, facile à fabriquer via l’impression 3D, et peut prévenir le gel pendant des semaines.

Combiner la géométrie des feuilles avec les propriétés hygroscopiques du GO

La nouvelle étude s’appuie en fait sur les travaux précédents de l’équipe de Park en 2020, au cours desquels ils ont constaté que la modification de la texture réduit la formation de gel jusqu’à 60 %. Parallèlement, l’ajout de textures à l’échelle millimétrique — séries optimisées de pics et de vallées dentelés observés dans la nature — à une surface peut réduire la formation de gel jusqu’à 80 %.

Pour cette découverte, les ingénieurs se sont inspirés de la géométrie des feuilles de menthe. Comme l’expliquait Park à l’époque, les régions convexes d’une feuille voient plus de formation de gel que les régions concaves (les nervures), qui obtiennent en fait « beaucoup moins de gel ».

Bien que cela soit observé depuis longtemps, aucune explication n’avait été fournie quant au pourquoi et au comment. Il a déclaré:

“Nous avons découvert que c’est la géométrie — et non le matériau — qui contrôle cela.”

La géométrie ondulée des feuilles signifie que le gel se forme sur les sommets où la condensation est accrue, mais rarement dans les vallées, où la condensation est supprimée. La petite quantité d’eau condensée dans les vallées des surfaces ondulées s’évapore, créant ainsi une zone sans gel.

Il est intéressant de noter que même en utilisant un matériau de surface qui attire l’eau, le même résultat est observé: l’eau s’évapore des vallées lorsqu’elle est en dessous du point de congélation.

En s’appuyant sur ces informations, l’équipe a trouvé la texture de surface optimale, à savoir une surface contenant des pics et des vallées d’une hauteur de plusieurs millimètres avec des angles compris entre 40 et 60 degrés.

La fine ligne de gel qui se forme encore sur les sommets de cette surface peut être dégivrée avec beaucoup moins d’énergie et élimine le besoin d’utiliser des revêtements de surface ou des liquides à points de congélation plus bas.

“La zone sans gel initie le processus de dégivrage. Ainsi, elle réduirait les matériaux et l’énergie utilisés pour résoudre les problèmes de gel.”

– Park

Dans la nouvelle étude, l’équipe a introduit l’oxyde de graphène (GO) dans le mélange, qui est ajouté aux vallées plates pour réduire complètement la formation de gel, même dans les vallées.

Le GO a été choisi en raison de ses propriétés hygroscopiques exceptionnelles, c’est‑à‑dire sa capacité à attirer et retenir les molécules d’eau par absorption. Le taux d’absorption de la vapeur d’eau du GO est deux fois supérieur à celui du gel de silice. De plus, le GO possède la capacité intrinsèque de supprimer le gel des molécules d’eau intercalées grâce à des effets de nanoconfinement.

La nouvelle surface possède également de petites bosses, avec une distance de crête à crête de 5 mm. Une fine couche de GO, d’une épaisseur de seulement 600 microns, est appliquée sur les vallées entre les pics. Selon Park:

“L’oxyde de graphène attire la vapeur d’eau puis confine les molécules d’eau à l’intérieur de sa structure. Ainsi, la couche d’oxyde de graphène agit comme un récipient pour empêcher la vapeur d’eau de geler.”

L’ajout d’oxyde de graphène à la surface macrotexturée a aidé la surface à résister au gel à haute supersaturation pendant une longue période, faisant de la surface hybride expérimentale « une zone stable, durable et sans gel ».

Vous pouvez regarder une démonstration de cette technique sur YouTube ici, publiée sur la chaîne officielle de NU:

Elle montre comment le gel se forme sur les pics en forme de nid d’abeille de la surface tandis que les vallées plates restent sans gel. Dans la vidéo, la surface de droite possède une fine couche de GO.

Pour mettre en avant la supériorité de sa méthode, l’équipe de Park l’a comparée à d’autres surfaces anti‑gel avancées.

Comparées à une résistance de 100 % à la formation de gel pendant 150 heures, les surfaces superhydrophobes et lubrifiées n’ont pu résister qu’à 5‑36 % de formation de gel, et ce seulement pendant 5 heures. De plus, les autres surfaces anti‑gel sont susceptibles d’être endommagées par des rayures ou la contamination, « ce qui dégrade les performances de la surface au fil du temps ».

La surface hybride macrotexturée‑oxyde de graphène de Park, en revanche, est robuste face à de tels dommages et, de ce fait, prolonge la durée de vie de la surface.

À l’heure actuelle, il n’existe pas d’approche « taille unique » disponible sur le marché en raison des besoins spécifiques de différentes applications. Par exemple, les avions n’ont besoin que de quelques secondes de résistance au gel, contrairement aux lignes électriques qui fonctionnent constamment dans des environnements froids et peuvent nécessiter des jours ou des semaines de résistance au gel.

La nouvelle technique, selon les chercheurs, peut être utilisée pour concevoir les ailes d’avion ainsi que les lignes électriques avec une adhérence de glace réduite, afin de diminuer considérablement les coûts de maintenance annuels. La méthode peut également aider à prévenir les inefficacités énergétiques et à assurer le fonctionnement sûr des infrastructures dans les environnements froids.

Protéger les infrastructures contre les climats rigoureux

Les climats froids apportent le confort des couvertures chaudes, du chocolat chaud et des sentiments festifs. Mais en même temps, ils entraînent leurs propres problèmes, notamment des problèmes de santé et des dommages aux infrastructures.

L’accumulation de glace et de neige peut compromettre la performance et la sécurité des navires, des pare‑brise de voitures, des lignes électriques, des éoliennes et des avions. C’est pourquoi les chercheurs cherchent à résoudre ces problèmes.

Les surfaces capables d’atténuer la croissance de la glace, en particulier, suscitent beaucoup d’intérêt, comme nous l’avons vu dans la dernière étude, en tant qu’alternative rentable.

Comme nous l’avons partagé plus tôt cette année, des chercheurs du College of Engineering de Drexel ont également mis au point du béton auto‑chauffant qui élimine la neige ainsi que la pluie verglaçante tout seul, sans besoin de racler, de pelleter ou de saler, ce qui affecte négativement les surfaces pendant trois ans.

Pour prolonger la durée de vie opérationnelle des routes et autres infrastructures et économiser sur leur maintenance, les chercheurs ont utilisé un matériau à changement de phase (PCM) à basse température, le paraffine liquide, pour ce béton auto‑chauffant. Lorsque la température chute à environ 0 °C ou 32 °F, le matériau libère de la chaleur et passe de l’état liquide à solide, entraînant la fonte progressive de la glace.

Ensuite, une équipe de chercheurs au Canada a développé une surface qui repousse la neige d’elle-même en combinant les attributs d’isolation thermique et de superhydrophobicité. Le groupe a constaté que l’aérogel de silice minimisait la fonte de la neige et empêchait la formation d’une couche de glace adhésive, tandis que la superhydrophobicité réduisait la zone de contact et repoussait les gouttelettes d’eau de fonte interfaciales, abaissant davantage la force d’adhérence de la neige.

Dans une autre étude, des chercheurs chinois se sont concentrés sur des surfaces superhydrophobes avec d’excellentes performances anti‑glace et répulsives à l’eau à basse température. Ces surfaces, contrairement aux surfaces superhydrophobes largement étudiées — notamment pour leurs potentielles applications aérospatiales — ne sont pas aussi bien rapportées.

Pour créer de telles surfaces, les chercheurs ont gravé des réseaux de micropiliers carrés sur des films de nanotubes de carbone multi‑parois (MWCNT)/poly(diméthylsiloxane) (PDMS), aboutissant à une triple anti‑glace qui reste active même à −40 °C.

Les chercheurs estiment que cela ouvre de nouvelles possibilités pour des matériaux bioniques intelligents et multifonctionnels dans les applications anti‑glace.

Une étude distincte sur les surfaces poreuses infusées de liquide glissant (SLIPS), largement utilisées comme approche passive efficace pour réduire les catastrophes de givrage, a trouvé que certaines caractéristiques sont essentielles à la durabilité. De petites pores (environ 100 nm), qui exercent une forte pression capillaire sur le lubrifiant, et une haute porosité (66 %), qui offre un grand rapport de contact lubrifiant‑liquide, sont particulièrement bénéfiques pour des SLIPS anti‑glace durables.

Le revêtement intelligent tout‑saisons pour toits est un autre produit qui garde les bâtiments chauds en hiver et frais en été. Ce revêtement ne nécessite ni électricité ni gaz ; il utilise le TARC, ou revêtement radiatif adaptatif à la température, qui désactive le refroidissement radiatif en hiver automatiquement afin d’éviter tout gaspillage d’énergie.

En plus de cibler les surfaces, d’autres avancées réalisées dans l’amélioration des infrastructures tout en économisant les coûts de maintenance et en protégeant l’environnement impliquent des tuiles de toit adaptatives, qui comportent un commutateur radiatif pour répondre à différentes températures.

Entreprises à surveiller

Dans le secteur aérospatial, Lockheed Martin (LMT ) est un nom populaire, et les surfaces résistantes au gel peuvent aider à améliorer les performances et la durabilité de ses avions militaires et commerciaux. La société, dont la capitalisation boursière s’élève à 129,26 milliards de dollars, voit ses actions se négocier à 545,35 $, en hausse de 20,32 % cette année. Elle affiche un BPA (TTM) de 27,65, un PER (TTM) de 19,73 et un rendement du dividende de 2,42 %.

Boeing (BA ) est une autre entreprise du secteur aérospatial qui investit fortement dans les technologies de dégivrage pour améliorer la sécurité et l’efficacité. Cependant, les actions de cette société de 95 milliards de dollars se négocient actuellement à 155,33 $, en baisse de 40,69 % depuis le début de l’année en raison de ses avions qui tombent en panne et des lanceurs d’alerte qui meurent.

Des entreprises comme 3M (MMM ) jouent également un rôle important en raison de leur implication dans les innovations matérielles. Cette société, dont la capitalisation boursière est de 69 milliards de dollars, voit ses actions augmenter de 16,37 % depuis le début de l’année, se négociant à 127,22 $, avec un BPA (TTM) de 7,63 et un PER (TTM) de 16,68, tout en versant un rendement du dividende de 2,20 %.

1. Raytheon Technologies (RTX )

La technique à base d’oxyde de graphène de NU peut aider ce fournisseur de technologies aéronautiques et de défense à améliorer les opérations sécurisées dans les environnements froids. Raytheon est une société dont la capitalisation boursière s’élève à 158 milliards de dollars, dont les actions se négocient à 118,75 $, en hausse de 41,13 %, avec un BPA (TTM) de 3,52, un PER (TTM) de 33,78 et un rendement du dividende de 2,12 %.

Pour le troisième trimestre 2024, les ventes ont été rapportées à 20,1 milliards de dollars, en hausse de 6 % par rapport à l’année précédente, tandis que le carnet de commandes s’élevait à 221 milliards de dollars. Ce carnet comprenait 131 milliards de dollars dans le segment commercial et 90 milliards de dollars dans le segment défense. Le flux de trésorerie disponible à la fin du trimestre était de 2 milliards de dollars, tandis que 1,1 milliard de dollars de capital ont été retournés aux actionnaires.

2. Proto Labs (PRLB )

Pour que ces nouvelles technologies arrivent rapidement sur le marché, elles doivent être produites tout aussi rapidement. C’est là que des entreprises comme Proto Labs peuvent intervenir. Elle utilise l’impression 3D, le moulage par injection et l’usinage CNC pour fabriquer des pièces. Cette société, dont la capitalisation boursière est de 955,6 millions de dollars, voit ses actions se négocier à 38,75 $, en baisse de 2,46 %, avec un BPA (TTM) de 0,94 et un PER (TTM) de 40,30.

Pour le troisième trimestre 2024, elle a déclaré un chiffre d’affaires de 125,6 millions de dollars, soit une diminution de 3,9 % par rapport au même trimestre de l’année précédente. Le bénéfice net s’élevait à 7,2 millions de dollars, tandis que l’EBITDA était de 17,5 millions de dollars. Elle a servi 22 511 contacts clients durant cette période. L’entreprise a toutefois généré son flux de trésorerie opérationnel le plus élevé du trimestre depuis quatre ans, ce que le PDG Dan Schumacher a qualifié de « témoignage de la rentabilité du modèle Protolabs face à tout contexte macro ».

Conclusion

La découverte la plus récente des chercheurs de l’Université Northwestern, qui réduit considérablement la formation de gel sur n’importe quelle surface, possède un potentiel substantiel pour faciliter la vie des gens en diminuant le nombre de vols annulés, qui peuvent être immobilisés par la moindre couche de gel, et en réduisant l’utilisation de produits chimiques de dégivrage puissants.

En tant qu’outil anti‑gel robuste, la surface hybride macrotexturée‑GO peut également contribuer à diminuer la quantité d’énergie et le coût nécessaires au dégivrage. Ainsi, elle peut trouver une forte application dans les industries nécessitant de longues périodes passives anti‑gel, notamment l’aérospatial, la distribution d’électricité et le transport.

Dans l’ensemble, de telles avancées dans la technologie anti‑gel peuvent aider à fournir des solutions durables et robustes aux défis climatiques rencontrés chaque année, ce qui, à son tour, contribue à construire des infrastructures plus efficaces et résilientes et a un impact économique significatif.

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