fr.wedoany.com Rapport : Des scientifiques russes ont découvert un nouveau minéral nommé Petrovita dans le cratère d’un volcan de la péninsule du Kamtchatka. Ses canaux d’ions sodium dans la structure cristalline sont considérés comme potentiellement précieux pour les technologies de batteries de nouvelle génération. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le Mineralogical Magazine et ont rapidement attiré l’attention de la communauté des sciences des matériaux en raison de sa configuration atomique unique.

Stanislav Filatov, professeur au département de cristallographie de l’Université d’État de Saint-Pétersbourg, a consacré plus de 40 ans à l’étude des cônes de scories et des fumerolles de coulées de lave de la péninsule du Kamtchatka, formés lors des deux grandes éruptions du volcan Tolbatchik en 1975-1976 et 2012-2013. La diversité minérale de cette région est unique ; des dizaines de nouveaux minéraux y ont été découverts ces dernières années, dont beaucoup sont exclusifs à cette zone, et la Petrovita en fait partie.

La formule chimique de la Petrovita est Na₁₀CaCu₂(SO₄)₈. Elle se présente sous forme d’agrégats sphériques bleus, composés de cristaux tabulaires contenant des inclusions fluides. Sa composition a été déterminée par Svetlana Moskaleva de l’Institut de volcanologie et de sismologie de la branche extrême-orientale de l’Académie des sciences de Russie. La structure cristalline a été étudiée par Andrey Shablinskii (diplômé de l’Université d’État de Saint-Pétersbourg) de l’Institut de chimie des silicates Grebenshchikov. Ce minéral a été nommé en l’honneur de Tomas Petrov, cristallographe à l’Université d’État de Saint-Pétersbourg, qui a été le premier au monde à développer une technique de culture de malachite de qualité gemme.

Ce qui a immédiatement suscité l’intérêt des chercheurs en batteries pour la Petrovita est la configuration extrêmement rare des atomes de cuivre dans sa structure cristalline, avec une coordination à sept atomes d’oxygène. Cette configuration n’existe que dans quelques composés. La Petrovita est constituée d’un squelette tridimensionnel poreux formé par des atomes d’oxygène, de sodium, de soufre et de cuivre. Les vides dans ce squelette sont reliés par des canaux, le long desquels les atomes de sodium, relativement petits, peuvent se déplacer.

Les scientifiques estiment que la mobilité ionique des atomes de sodium se déplaçant dans les canaux cristallins présente une valeur potentielle pour la technologie des batteries. Le fonctionnement des batteries repose sur le mouvement des ions entre les électrodes ; plus ce mouvement est facile, plus l’efficacité de la batterie est élevée. La structure de la Petrovita crée précisément les conditions que les ingénieurs en batteries tentent de reproduire artificiellement en laboratoire : des canaux bien définis, des pores adaptés à la taille des ions sodium, et un squelette stable qui ne s’effondre pas lors du déplacement des ions. Filatov a indiqué que le type structural de la Petrovita est prometteur pour la conductivité ionique et pourrait être utilisé comme matériau de cathode pour les batteries sodium-ion.

La découverte de la Petrovita en tant que minéral naturel ne signifie pas qu’elle peut être directement exploitée pour les batteries ; la faible teneur en cuivre dans sa structure cristalline constitue un obstacle majeur. Le cuivre est un métal de transition dans la formule chimique, participant aux réactions électrochimiques pour le stockage et la libération d’énergie de la batterie. Pour que ce matériau soit efficace comme cathode de batterie, il est nécessaire d’augmenter la proportion de cuivre. Filatov a souligné qu’il est possible de résoudre ce problème en synthétisant en laboratoire des composés ayant la même structure que la Petrovita. Les chercheurs proposent d’utiliser la structure cristalline de la Petrovita comme modèle pour la reproduire et optimiser les proportions de chaque élément en laboratoire.

Le contexte dans lequel la Petrovita est apparue est très important pour comprendre son importance stratégique. Les batteries lithium-ion dominent actuellement le marché du stockage d’énergie, mais les ressources en lithium sont géographiquement concentrées, la majeure partie des réserves se trouvant en Amérique du Sud, et leur transformation étant dominée par la Chine. Le sodium est le sixième élément le plus abondant de la croûte terrestre, présent presque partout, peu coûteux et sans la concentration géopolitique du lithium. Si les batteries sodium-ion atteignent des performances comparables à celles des batteries lithium-ion, la dépendance de toute la chaîne de stockage d’énergie à un seul métal stratégique pourrait être considérablement réduite. L’obstacle des batteries sodium-ion réside dans la recherche de matériaux de cathode efficaces, car les ions sodium sont plus gros que les ions lithium, ce qui nécessite des canaux plus larges dans les matériaux d’électrode. La taille des canaux de la Petrovita est précisément adaptée aux ions sodium, ce qui en fait un modèle naturel pour la construction de cette structure.

La Petrovita n’est pas le seul nouveau minéral découvert dans la région de Tolbatchik. L’équipe de Filatov a également découvert la Saranchinaita dans le même groupe volcanique, un minéral dont la structure est liée à celle de la Petrovita, et qui pourrait être un produit de la réaction entre la saranchinaite, le sulfate de calcium et le sulfate de sodium. Une hypothèse sur la formation de la Petrovita suggère un remplacement progressif de minéraux contenant du nickel par des fluides hydrothermaux riches en métaux, un mécanisme de formation décrit dans une plage de températures et de pressions reproductible en laboratoire. Pour la science des matériaux, ces découvertes fournissent des plans de construction que la nature a testés pendant des millions d’années, bien avant que tout ingénieur ne tente de construire des structures similaires.