Des solides cristallins à faible conductivité thermique

Pousser la conductivité thermique (𝜅) des matériaux vers des valeurs les plus faibles possibles suscite un engouement en physique de la matière condensée et en science des matériaux, tant il est fondamental de développer des matériaux performants, entre autres, pour l'isolation thermique et la thermoélectricité. Dans un grand nombre de matériaux, ce sont essentiellement les phonons* qui véhiculent la chaleur. On peut les voir comme des excitations thermiques collectives dont la propagation dans le réseau cristallin d’un solide peut être comparée à celle d’une onde. Limiter ou entraver cette propagation est donc essentiel pour diminuer considérablement la conductivité thermique.

Les solides cristallins à faible conductivité thermique possèdent généralement des structures cristallines complexes, à l’origine de cette propriété. Et leur synthèse peut s’avérer tout aussi complexe… C’est pourquoi les scientifiques cherchent à identifier des structures cristallographiques plus simples pouvant présenter la même propriété.

Dans le cadre d’une coopération internationale associant chimistes, physiciens et théoriciens, des chercheurs du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT/CNRS/Université Caen Normandie/ENSICAEN) et de l’Institut Jean Lamour (IJL/CNRS/Université de Lorraine) ont mis en évidence une conductivité thermique extrêmement faible** dans le composé AgTlI₂, bien que sa structure cristalline soit très simple. Pour comprendre ce comportement, les scientifiques ont réalisé des simulations de dynamique moléculaire et de dynamique de réseau anharmonique, couplées à des analyses de diffraction X intégrant la modélisation 3D des agitations thermiques des atomes. Ils montrent que l’arrangement atomique et la présence de liaisons chimiques faibles génèrent de fortes vibrations des atomes d’argent à l’origine de la très faible conductivité thermique.

Les recherches se poursuivent maintenant pour remplacer le thallium par un autre élément métallique plus abondant et non toxique, ou explorer d’autres structures cristallographiques apparentées susceptibles de générer des conductivités thermiques encore plus faibles.

* Un phonon est la description quantique du mouvement d’un réseau d'atomes ou d'ions qui oscillent uniformément à une fréquence donnée.

** De l’ordre de 0.25 W m^-1 K^-1 à température ambiante.

Rédacteur : CCdM