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Les sulfates pour des matériaux énergétiques « verts »

Jusqu’à présent, l’usage des sulfates en pyrotechnie se restreignait à la production d’effets spéciaux : coloration de flamme, production de flash lumineux ou combustions intermittentes. En mélangeant des fines particules de sulfates métalliques à une poudre d’aluminium nanométrique, les chercheurs du laboratoire « Nanomatériaux pour les systèmes sous sollicitations extrêmes » (CNRS / Institut Saint-Louis / Université de Strasbourg) ont obtenu des substances explosives présentant le triple avantage d’être à la fois très réactives, non-toxiques et particulièrement sûres à mettre en œuvre. Ces travaux sont publiés le 20 février 2015 dans la revue Angewandte Chemie.

Les sulfates (SO42-) sont des sels inorganiques réputés stables thermiquement et peu réactifs. Les sulfates métalliques sont des substances très communes que nous avons tous eu l’occasion d’utiliser dans notre vie quotidienne. Ainsi, le sulfate de sodium est le principal constituant des lessives en poudre. Le sulfate de magnésium possède de nombreuses indications thérapeutiques en tant que source de magnésium. Le sulfate de calcium, plus connu sous le nom de plâtre, compose ou revêt la plupart des cloisons de nos habitations. L’anion sulfate n’est pas une substance toxique : il constitue même pour l’organisme une source importante de soufre, élément impliqué dans de nombreux mécanismes biologiques du corps humain. La plupart des eaux minérales contiennent d’ailleurs des anions sulfates, à des concentrations pouvant atteindre 1,5 g/L.

Jusqu’à présent, l’usage des sulfates en pyrotechnie se restreignait à la production d’effets spéciaux : coloration de flamme, production de flash lumineux ou combustions intermittentes.

Les chercheurs de Saint-Louis ont eu l’idée d’utiliser les propriétés oxydantes des sulfates métalliques, sous forme de particules fines, en les mélangeant avec une poudre d’aluminium nanométrique (100 nm), utilisée comme fuel. Ces compositions possèdent des chaleurs de réaction comparables à celle d’explosifs puissants (4 – 6 kJ/g) et des vitesses de combustion très élevées (200 – 840 m/s). Ces nouveaux matériaux énergétiques se caractérisent par une grande insensibilité au frottement ce qui permet de les préparer et de les manipuler sans danger en quantités importantes. Ces substances explosives présentent le triple avantage d’être à la fois très réactives, non-toxiques et particulièrement sûres à mettre en œuvre. Leurs performances dépendent du métal et du nombre de molécules d’eau de constitution associés à l’anion sulfate.

Des résultats similaires ont été obtenus avec d’autres sels oxygénés du soufre, cousins des sulfates : sulfites (SO32-), thiosulfates (S2O32-) et peroxodisulfates (S2O82-), conduisant à de nouvelles familles de compositions énergétiques aux performances supérieures à celles de la plupart des nanothermites conventionnelles (matériaux qui dégagent de grandes quantités de chaleur lorsqu’il sont enflammés), composées d’oxydes métalliques et d’aluminium.

Les perspectives qu’ouvrent ces nouveaux matériaux énergétiques en matière de recherche fondamentale et d’applications industrielles intéressent différents domaines de la chimie, de la physique, de la biologie, de l’environnement et du développement technologique durable.

L’une des applications immédiates les plus prometteuses de ces matériaux énergétiques originaux est le remplacement des sels de plomb, azoture et styphnate, qui sont actuellement utilisés comme explosifs primaires dans la plupart des détonateurs civils.

Références

M. Comet, G. Vidick, F. Schnell, Y. Suma, B. Baps, D. Spitzer

Sulfates-based nanothermites: an expanding horizon for metastable interstitial composites

Angew. Chem. Int. Ed. à paraître.

DOI : 10.1002/anie.201410634R2 et 10.1002/ange.201410634R2

Contact chercheur

Marc COMET, Chercheur au Laboratoire « Nanomatériaux pour les systèmes sous sollicitations extrêmes » (NS3E, SAINT-LOUIS).

Courriel : marc.comet@isl.eu

Tél. : 03 89 69 58 73

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken