Ceci est un cristal de sucre.
Si vous appuyez dessus, il va générer sa propre électricité.
Comment ce simple cristal peut-il agir comme une source d'énergie ?
Parce que le sucre est piézoélectrique.
Les matériaux piézoélectriques transforment un effort mécanique,
comme la pression, les ondes sonores, et d'autres vibrations
en électricité et inversement.
Ce phénomène étrange fut découvert
par le physicien Pierre Curie et son frère Jacques en 1880.
Ils ont découvert qu'en compressant de fines tranches de certains cristaux,
des charges positives et négatives apparaissaient sur les faces opposées.
Cette différence de charge, ou tension,
signifiait que le cristal compressé pouvait envoyer du courant dans un circuit
comme une batterie.
Et cela fonctionnait aussi dans l'autre sens.
Faire circuler de l'électricité dans ces cristaux les faisait changer de forme.
Ces deux résultats,
transformer une énergie mécanique en énergie électrique,
et une énergie électrique en énergie mécanique,
étaient remarquables.
Mais la découverte resta peu connue pendant plusieurs décennies.
La première application pratique fut dans les sonars
pour détecter les sous-marins allemands pendant la Première Guerre Mondiale.
Les cristaux de quartz du transmetteur du sonar
vibraient lorsqu'ils étaient soumis à une tension alternative.
Cela envoyait des ultrasons dans l'eau.
Mesurer le temps qu'il fallait à ces ondes pour rebondir sur un objet
révélaient à quelle distance il se trouvait.
Pour la transformation inverse,
convertir une énergie mécanique en énergie électrique,
pensez aux lumières qui s'allument quand on tape des mains.
Taper des mains envoie des vibrations dans l'air
et tord l'élément piézoélectrique.
Cela crée une tension qui peut conduire assez de courant pour allumer les LEDs,
même si c'est l'électricité traditionnelle qui les garde allumées.
Donc qu'est-ce qui rend un matériau piézoélectrique ?
La réponse dépend de deux facteurs :
la structure atomique du matériau,
et comment la charge électrique est répartie à l'intérieur.
De nombreux matériaux sont cristallins,
c'est-à-dire faits d'atomes ou d'ions
bien ordonnés selon un motif tridimensionnel.
Le composant de base de ce motif, appelé cellule unitaire,
se répète encore et encore.
Dans la plupart des matériaux cristallins non-piézoélectriques,
les atomes d'une cellule unitaire sont répartis symétriquement
autour d'un point central.
Mais certains matériaux cristallins n'ont pas de symétrie centrale,
ce qui en fait de bons candidats pour la piézoélectricité.
Regardons le quartz,
un matériau piézoélectrique fait de silicium et d'oxygène.
L'oxygène a une charge légèrement négative et le silicium légèrement positive,
créant une séparation de charge,
ou un dipôle le long de chaque lien.
En temps normal, ces dipôles s'annulent mutuellement,
et il n'y a aucune séparation de charge dans la cellule unitaire.
Mais si on compresse un cristal de quartz dans une direction donnée,
les atomes se déplacent.
En raison de l'asymétrie de répartition de charge générée,
les dipôles ne s'annulent plus mutuellement.
La cellule étirée finit avec une charge négative d'un côté,
et une charge positive de l'autre.
Ce déséquilibre de charge est répété dans tout le matériau,
et les charges opposées s'accumulent sur les faces opposées du cristal.
Cela génère une tension qui peut conduire de l'électricité dans un cricuit.
Les matériaux piézoélectriques peuvent avoir différentes structures.
Mais ils ont tous en commun des cellules unitaires sans centre de symétrie.
Plus la compression des matériaux piézoélectriques est grande,
plus la tension générée est élevée.
Si à la place, on étire le cristal, la tension s'inverse,
et le courant circule dans l'autre sens.
Il y a plus de matériaux piézoélectriques que vous ne l'imaginez.
L'ADN,
les os,
et la soie
ont tous cette capacité à transformer un énergie mécanique en électricité.
Les scientifiques ont créé divers matériaux piézoélectriques de synthèse
et leur ont trouvé des applications allant de l'imagerie médicale
aux imprimantes à jet d'encre.
La piézoélectricité est la cause des oscillations régulières
des cristaux de quartz qui gardent les montres à l'heure,
des hauts-parleurs de cartes musicales,
et de l'étincelle de certains allume-gaz
lorsque vous pressez le bouton.
Les appareils piézoélectriques pourraient devenir encore plus communs
car la demande en électricité est élevée et l'énergie mécanique est abondante.
Il existe déjà des gares utilisant les pas des passagers
pour alimenter les portails et les affichages,
et une discotèque où les lumières sont alimentées par piézoélectricité.
La course des sportifs pourrait-elle alimenter le tableau de score ?
Ou pourriez-vous recharger vos appareils en marchant dans la rue ?
Quelle est la suite pour la piézoélectricité ?