De l'oxygène dans vos poumons à l'indium dans l'écran de votre téléphone, les éléments qui composent l'univers ont des rôles étonnamment spécifiques — et souvent inattendus — à jouer.
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Le tableau périodique est l'un des grands accomplissements organisationnels de la connaissance humaine — 118 éléments arrangés par numéro atomique et configuration électronique en une grille qui révèle la structure sous-jacente de toute matière. La plupart des gens le rencontrent à l'école, en mémorisent une partie suffisante pour passer un test, puis le classent mentalement sous « choses qui étaient importantes autrefois ». Ce classement est une erreur. Le tableau périodique n'est pas un catalogue abstrait. C'est une carte du monde physique, et les éléments qui s'y trouvent sont dans tout ce qui vous entoure — dans le téléphone dans votre poche, la nourriture que vous avez mangée ce matin, le pont que vous avez traversé, le médicament que vous avez pris la semaine dernière, et l'air que vous respirez actuellement.
Le fossé entre ce que la plupart des gens savent sur les éléments et ce que les éléments font réellement est grand et intéressant. Le tungstène apparaît dans le tableau périodique comme l'élément 74, un métal dense, blanc argenté avec un symbole sans distinction (W, de son nom allemand Wolfram). Ce que la plupart des gens ne savent pas, c'est que le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les éléments — 3 422 degrés Celsius — ce qui en fait le seul matériau capable de survivre comme filament à l'intérieur d'une ampoule à incandescence, la seule substance adaptée aux arêtes tranchantes de certains outils de forage, et le matériau utilisé dans les contrepoids des surfaces de contrôle des avions à réaction. La chimie explique l'application. L'application explique pourquoi la chimie est importante.
Cette liste couvre 15 éléments choisis pour la combinaison de leur importance pratique et la distance entre leur réputation scolaire et leur fonction réelle dans le monde. Certains sont familiers par leur nom et inconnus dans leur application — carbone, silicium, chlore. Certains sont largement inconnus des non-scientifiques malgré leur présence dans des objets que des milliards de personnes utilisent chaque jour — indium, hafnium, néodyme. Certains ont des applications qui révèlent quelque chose de spécifique sur le monde physique que les propriétés de l'élément rendent lisible.
Chaque diapositive couvre ce qu'est l'élément, quelles sont ses propriétés clés, et ce que ces propriétés le rendent unique. La chimie est maintenue au niveau de l'explication plutôt que du calcul — suffisamment pour comprendre pourquoi un élément fait ce qu'il fait, sans exiger une formation en chimie pour suivre. L'objectif est de faire ressentir le tableau périodique comme ce qu'il est : un document pratique sur le monde matériel, plein d'informations directement pertinentes pour la vie quotidienne.
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Le carbone est le quatrième élément le plus abondant de l'univers en masse et la base chimique de toute vie connue. Chaque protéine, chaque glucide, chaque graisse, chaque acide nucléique — les molécules qui constituent les organismes biologiques — est un composé de carbone. La propriété spécifique qui fait du carbone la base de la biochimie est son extraordinaire polyvalence dans la formation de liaisons covalentes : un atome de carbone peut former quatre liaisons fortes et stables simultanément, se liant à l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le soufre, et d'autres atomes de carbone dans des combinaisons de variété presque illimitée. Cette flexibilité de liaison est ce qui rend possibles les quelque dix millions de composés organiques connus.
Les applications du carbone s'étendent bien au-delà de la biologie. Le carbone pur existe sous plusieurs formes allotropiques — différentes dispositions structurelles des mêmes atomes — chacune avec des propriétés radicalement différentes. Le diamant, dans lequel chaque atome de carbone est lié à quatre autres dans un réseau tétraédrique, est le matériau naturel le plus dur sur Terre, utilisé dans les outils de coupe, les abrasifs, et les forets pour l'exploration pétrolière et gazière. Le graphite, dans lequel les atomes de carbone sont disposés en feuilles hexagonales plates qui glissent facilement les unes sur les autres, est un lubrifiant, un matériau d'électrode, et le noyau de chaque crayon. Le graphène — une seule couche de la feuille de graphite, épaisse d'un atome — est le matériau le plus résistant jamais testé par unité d'épaisseur et un conducteur d'électricité qui pourrait sous-tendre la prochaine génération d'électronique.
La fibre de carbone — longues fibres d'atomes de carbone disposés dans une structure cristalline, intégrée dans une matrice polymère — combine un poids faible avec une résistance à la traction dépassant celle de l'acier, en faisant le matériau structurel de choix dans les composants aérospatiaux, les voitures de Formule 1, les pales d'éoliennes, et les vélos haute performance. Le carbone activé, avec sa surface énorme créée par l'oxydation contrôlée des matériaux carbonés, est le principal moyen de purification de l'eau et de filtration de l'air dans le monde entier — les granulés noirs dans un filtre à eau domestique sont du carbone activé, adsorbant le chlore, les pesticides, et les contaminants organiques de l'eau qui les traverse.
Le carbone est aussi, dans son rôle de dioxyde de carbone et de méthane dans l'atmosphère, l'élément dont la gestion définit le principal défi environnemental du 21e siècle — une conséquence de son abondance, de sa tendance à former des composés gazeux, et de son rôle de plusieurs milliards de dollars dans les systèmes énergétiques construits autour de sa combustion.
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L'oxygène est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre, le troisième le plus abondant dans l'univers, et l'élément sans lequel la vie animale telle qu'elle existe sur Terre est impossible. Il constitue environ 21 % de l'atmosphère, où il est arrivé grâce à des milliards d'années de photosynthèse par les cyanobactéries et les plantes — l'Événement de Grande Oxydation il y a environ 2,4 milliards d'années, lorsque l'oxygène atmosphérique s'est accumulé pour la première fois à des niveaux significatifs, est un des événements les plus importants de l'histoire biologique de la Terre, transformant la chimie de l'atmosphère, des océans et des roches de surface, et permettant l'évolution du métabolisme aérobie sur lequel la vie complexe dépend.
Le rôle biologique de l'oxygène est d'être l'accepteur final d'électrons dans la respiration aérobie — le processus métabolique par lequel les cellules extraient de l'énergie du glucose. Dans les mitochondries de chaque cellule du corps, l'oxygène accepte les électrons à la fin de la chaîne de transport des électrons, se combinant avec les ions hydrogène pour former de l'eau et entraînant la synthèse de l'ATP, la principale monnaie énergétique de la cellule. L'efficacité de la respiration aérobie par rapport aux alternatives anaérobies — environ 18 fois plus d'ATP par molécule de glucose — est ce qui rend possible les grands organismes du règne animal, métaboliquement coûteux en énergie.
L'oxygène industriel a des applications qui vont de la médecine à la métallurgie. L'oxygène liquide est un oxydant cryogénique utilisé dans les moteurs de fusée, y compris les moteurs principaux des Saturn V et Falcon 9, où il se combine avec de l'hydrogène liquide ou du kérosène pour produire une combustion à des températures dépassant les 3 000 degrés Celsius. Le procédé de fabrication de l'acier à l'oxygène de base — où une lance souffle de l'oxygène de haute pureté dans le fer fondu pour éliminer le carbone et les impuretés — représente environ 70 % de la production mondiale d'acier, faisant de l'oxygène l'une des marchandises industrielles les plus importantes en volume. L'oxygène médical soutient les patients souffrant d'insuffisance respiratoire, les prématurés et toute personne nécessitant de l'oxygène supplémentaire pendant la chirurgie.
L'ozone — une molécule de trois atomes d'oxygène — absorbe les radiations ultraviolettes dans la stratosphère, protégeant la surface de l'exposition aux UV qui endommage l'ADN et rendrait la vie terrestre beaucoup plus difficile. La même molécule au niveau du sol, produite par la réaction photochimique des gaz d'échappement des véhicules et des rayons du soleil, est un irritant respiratoire et un problème de qualité de l'air dans de nombreuses villes.
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Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène, constituant environ 28 % de sa masse. En géologie, le silicium forme l'épine dorsale des minéraux silicatés — la vaste famille de composés qui constitue la plupart des roches et des sols de la Terre. En technologie, une seule propriété du silicium purifié — son comportement en tant que semi-conducteur, conduisant l'électricité dans certaines conditions mais pas d'autres — en a fait le matériau fondamental de l'ère de l'information.
Un semi-conducteur se situe entre un conducteur et un isolant dans son comportement électrique. Le silicium pur à température ambiante conduit mal l'électricité. Lorsque de petites quantités d'impuretés spécifiques — les dopants — sont ajoutées, la conductivité change de manière spectaculaire et contrôlable. Le silicium de type N, dopé avec du phosphore ou de l'arsenic, a des électrons excédentaires disponibles pour la conduction. Le silicium de type P, dopé avec du bore ou de l'aluminium, possède des "trous" d'électrons qui agissent comme des porteurs de charge positive. La jonction entre le silicium de type n et de type p — la jonction p-n — est le bloc de construction fondamental de tous les dispositifs semi-conducteurs : diodes, transistors, cellules solaires et les circuits intégrés qui alimentent chaque ordinateur, smartphone et appareil électronique dans le monde.
Le transistor, inventé en 1947 et ensuite miniaturisé sur des puces de silicium grâce au développement du circuit intégré, est l'interrupteur qui sous-tend toute l'informatique numérique. Les puces de processeur modernes contiennent des dizaines de milliards de transistors sur un morceau de silicium plus petit qu'un ongle, chaque transistor basculant entre les états marche et arrêt des milliards de fois par seconde. La transformation du silicium — un élément trouvé dans le sable de plage ordinaire — en substrat pour l'économie mondiale de l'information a nécessité des décennies de sciences des matériaux, de chimie et d'ingénierie, mais elle a commencé avec les propriétés électroniques spécifiques de l'élément lui-même.
Le silicium est également le principal matériau des cellules solaires photovoltaïques, où ses propriétés de semi-conducteur lui permettent de convertir les photons en courant électrique grâce à l'effet photovoltaïque. Alors que l'énergie solaire est devenue la source d'électricité la moins chère jamais développée, le rôle du silicium en tant que base matérielle de la transition énergétique a rendu son abondance et sa maniabilité économiquement et écologiquement significatives.
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Le lithium est le métal le plus léger et l'élément solide le plus léger, avec une masse atomique d'environ sept unités atomiques. Son application la plus importante dans le monde contemporain est en tant que matériau actif dans les batteries lithium-ion — les batteries rechargeables qui alimentent les smartphones, les ordinateurs portables, les véhicules électriques et le stockage d'énergie à grande échelle — et son importance dans la facilitation de la transition énergétique des combustibles fossiles en a fait l'une des marchandises stratégiquement les plus significatives du 21ème siècle.
La batterie lithium-ion fonctionne grâce au mouvement réversible des ions lithium entre deux électrodes — une cathode en oxyde métallique de lithium et une anode en graphite — à travers un électrolyte de sel de lithium. Lors de la charge, les ions lithium se déplacent de la cathode vers l'anode ; lors de la décharge, ils retournent en arrière, générant un courant électrique dans le circuit externe. La densité énergétique des batteries lithium-ion — la quantité d'énergie stockée par unité de poids — est environ trois fois celle des batteries nickel-hydrure métallique, faisant de la lithium-ion la technologie facilitante pour l'électronique portable et les véhicules électriques dont les contraintes de poids et d'autonomie rendent la densité énergétique critique.
La demande mondiale de lithium a considérablement augmenté avec la croissance de la production de véhicules électriques, et la concentration des gisements de lithium dans un petit nombre de pays — le "Triangle du Lithium" du Chili, de l'Argentine et de la Bolivie contient plus de la moitié des réserves mondiales — a créé des dépendances de la chaîne d'approvisionnement et des tensions géopolitiques analogues à celles associées au pétrole. L'Australie est le plus grand producteur actuel de lithium par volume.
Les autres applications du lithium incluent son utilisation comme stabilisateur de l'humeur en psychiatrie. Le carbonate de lithium est prescrit pour le trouble bipolaire depuis les années 1970 et reste l'un des traitements à long terme les plus efficaces pour prévenir les épisodes maniaques et dépressifs, bien que le mécanisme par lequel il stabilise l'humeur ne soit pas encore entièrement compris. C'est l'un des rares médicaments psychiatriques dont l'effet est sur le cours de la maladie plutôt que sur l'épisode aigu.
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L'azote constitue environ 78 % de l'atmosphère terrestre — en faisant le gaz le plus abondant dans l'air — mais dans sa forme atmosphérique en tant qu'azote diatomique (N₂), il est essentiellement inerte, ne pouvant être utilisé directement par la plupart des organismes vivants. La transformation de l'azote atmosphérique en formes biologiquement disponibles — la fixation de l'azote — est l'un des processus chimiques les plus importants dans la biosphère, et la capacité de le réaliser industriellement a eu plus d'impact sur la population humaine que n'importe quel autre développement chimique.
Le procédé Haber-Bosch, développé par Fritz Haber et Carl Bosch au début du XXe siècle, combine l'azote atmosphérique avec l'hydrogène à haute température et pression en présence d'un catalyseur de fer pour produire de l'ammoniac. L'ammoniac est le matériau de départ pour les engrais azotés synthétiques, et les engrais synthétiques sont ce qui permet à la production alimentaire mondiale actuelle de soutenir environ la moitié de la population mondiale qui ne pourrait pas être nourrie par une agriculture dépendante uniquement des apports azotés naturels. Le procédé Haber-Bosch est estimé avoir permis la vie d'environ quatre milliards de personnes qui n'existeraient pas autrement.
Les autres applications industrielles de l'azote reflètent sa polyvalence chimique. L'azote liquide, produit par distillation fractionnée de l'air, est utilisé pour le stockage cryogénique d'échantillons biologiques, la conservation des aliments, la cryothérapie en dermatologie, et le refroidissement rapide des produits alimentaires dans l'industrie alimentaire. Le gaz azote est utilisé comme atmosphère inerte de protection dans l'emballage alimentaire — le gaz qui remplit les paquets de chips est principalement de l'azote, évitant l'oxydation et maintenant la texture. L'acide nitrique, produit à partir de l'ammoniac, est le matériau de départ pour les explosifs incluant le TNT et la nitroglycérine, ainsi que pour de nombreux intermédiaires pharmaceutiques. Le protoxyde d'azote (N₂O) est à la fois un anesthésique utilisé en dentisterie et en chirurgie et un gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement global environ 300 fois celui du dioxyde de carbone.
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Le chlore est l'élément 17, un gaz diatomique jaune-vert à température ambiante qui est toxique sous forme concentrée — il a été utilisé comme arme chimique pendant la Première Guerre mondiale — et un contributeur essentiel à l'infrastructure de santé publique sous forme diluée. La désinfection de l'eau potable municipale avec du chlore, introduite aux États-Unis en 1908, est créditée par les historiens de la santé publique comme l'une des interventions les plus significatives dans la réduction de la mortalité due aux maladies hydriques au XXe siècle.
Le mécanisme de désinfection du chlore dans l'eau implique la formation d'acide hypochloreux, qui pénètre les parois cellulaires bactériennes et perturbe les processus métaboliques, tuant les pathogènes incluant les bactéries responsables de la fièvre typhoïde, du choléra et de la dysenterie. L'introduction de la chloration à Jersey City, dans le New Jersey, en 1908 a été suivie en quelques années par des réductions spectaculaires de la mortalité due à la fièvre typhoïde dans les villes traitées par rapport à celles non traitées — une expérience naturelle en santé publique dont les résultats étaient sans équivoque.
Le chlore est à la base de l'industrie mondiale du PVC (polychlorure de vinyle) — le plastique le plus utilisé en volume après le polyéthylène et le polypropylène. Le PVC est utilisé dans les tuyaux, les cadres de fenêtres, les revêtements de sol, les dispositifs médicaux et l'isolation des câbles électriques, et sa production représente environ 34 % de la consommation mondiale de chlore. Les agents de blanchiment à base de chlore — l'hypochlorite de sodium dans l'eau de Javel domestique, le dioxyde de chlore dans le traitement du papier et des textiles — comptent parmi les produits chimiques industriels les plus largement utilisés dans le monde.
La conséquence involontaire la plus importante de la chimie industrielle du chlore a été le développement de composés organochlorés — des molécules organiques chlorées comprenant les PCB, le DDT et les chlorofluorocarbones responsables de l'appauvrissement de la couche d'ozone stratosphérique. Ces produits chimiques persistants, créés comme sous-produits ou produits commerciaux de la chimie du chlore, ont causé des dommages environnementaux documentés à l'échelle mondiale, et leur réglementation a été l'un des chapitres les plus importants du droit environnemental international.
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Le fer est l'élément le plus abondant sur Terre dans son ensemble — le noyau de la planète est principalement constitué de fer et de nickel — et le quatrième plus abondant dans la croûte. Il a été fondu et travaillé par les civilisations humaines pendant au moins 3 200 ans, définissant toute une période de l'histoire humaine, et il reste le métal le plus utilisé en volume dans la civilisation contemporaine avec une marge énorme. La production mondiale d'acier — alliage de fer avec de petits pourcentages de carbone et d'autres éléments — dépasse 1,9 milliard de tonnes par an, soit environ dix fois la production de tous les autres métaux réunis.
Les propriétés qui rendent le fer et l'acier si universellement utiles sont la combinaison de résistance, de ténacité, de maniabilité et de coût relativement bas. L'acier peut être produit dans une large gamme de propriétés en ajustant la teneur en carbone et les éléments d'alliage : l'acier à faible teneur en carbone est doux et ductile pour les panneaux de carrosserie automobile ; l'acier à haute teneur en carbone est dur et résistant à l'usure pour les outils de coupe ; l'acier inoxydable, allié avec du chrome et du nickel, résiste à la corrosion pour les couverts et les instruments chirurgicaux ; les aciers à haute résistance et faible teneur en alliage offrent des rapports résistance/poids exceptionnels pour les applications structurelles.
Le rôle biologique du fer est également fondamental. L'hémoglobine, la protéine des globules rouges responsable du transport de l'oxygène des poumons vers les tissus dans tout le corps, contient quatre atomes de fer par molécule. L'atome de fer au centre de chaque groupe hème se lie de façon réversible à l'oxygène — le captant dans l'environnement à haute teneur en oxygène des poumons et le libérant dans l'environnement à faible teneur en oxygène des tissus métaboliquement actifs. L'anémie ferriprive, qui touche environ deux milliards de personnes dans le monde, réduit la production d'hémoglobine et donc la capacité de transport de l'oxygène, provoquant fatigue, altération des fonctions cognitives et diminution de la capacité de travail physique.
La rouille du fer — son oxydation en oxyde de fer en présence d'eau et d'oxygène — est la même chimie que l'hémoglobine exploite, fonctionnant dans une direction différente. Comprendre la similitude entre la rouille sur un pont et le mécanisme de transport d'oxygène dans le sang est un rappel de la façon dont les mêmes propriétés chimiques se manifestent à différentes échelles et dans différents contextes.
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Le cuivre est utilisé en continu par les civilisations humaines depuis environ 10 000 ans — plus longtemps que tout autre métal — et sa combinaison de conductivité électrique, conductivité thermique, résistance à la corrosion et maniabilité l'a rendu indispensable tout au long de cette période, depuis les outils de l'âge du bronze jusqu'à la plomberie victorienne et l'infrastructure électrique du 21ème siècle.
L'application contemporaine la plus importante du cuivre est électrique. C'est le conducteur standard dans le câblage électrique, les moteurs, les transformateurs et l'électronique, utilisé de préférence à l'aluminium — qui est plus léger et moins cher — dans les applications où la résistance et la fiabilité comptent plus que le poids ou le coût. Une maison familiale typique contient environ 90 kilogrammes de cuivre dans ses câblages électriques et sa plomberie. Un seul véhicule électrique contient environ 83 kilogrammes de cuivre, comparé à environ 23 kilogrammes dans un véhicule à combustion interne, faisant de l'électrification des transports l'un des principaux moteurs de la croissance projetée de la demande de cuivre.
La conductivité électrique du cuivre est seulement surpassée par celle de l'argent parmi les métaux courants, et il est utilisé plutôt que l'argent principalement pour des raisons de coût — l'argent est environ 80 fois plus cher par kilogramme. La résistivité du cuivre — sa résistance au flux électrique — est suffisamment faible pour que les pertes de transmission dans les câbles en cuivre soient gérables pour la plupart des applications, et sa ductilité permet de le tirer en fils fins et circuits délicats requis par l'électronique.
Les propriétés antimicrobiennes du cuivre sont de plus en plus reconnues dans les contextes de soins de santé. Les surfaces en cuivre tuent les bactéries, les champignons et certains virus par des mécanismes impliquant la perturbation des membranes cellulaires et la production d'espèces réactives de l'oxygène. Des essais cliniques ont montré que le remplacement des surfaces fréquemment touchées dans les chambres d'hôpital — rampes de lit, poignées de porte, boutons d'appel — par des alliages de cuivre réduit la contamination bactérienne et les taux d'infection associés aux soins de santé. La résurgence du cuivre dans les environnements de soins de santé représente une redécouverte d'une propriété utilisée empiriquement pendant des millénaires avant que son mécanisme soit compris.
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Le tungstène détient plusieurs records extrêmes parmi les éléments. Il a le point de fusion le plus élevé de tous les éléments — 3 422 degrés Celsius, ce qui est plus élevé que la température de surface du soleil. Il a le coefficient d'expansion thermique le plus bas de tous les métaux — ce qui signifie qu'il se dilate très peu lorsqu'il est chauffé — et l'une des résistances à la traction les plus élevées de tous les matériaux. Ces propriétés le rendent exceptionnellement utile dans des applications où d'autres matériaux échoueraient simplement.
L'application la plus familière est le filament d'ampoule à incandescence. Une ampoule à incandescence fonctionne en faisant passer un courant électrique à travers un fil fin jusqu'à ce qu'il devienne suffisamment chaud pour briller en blanc — à environ 2 500 à 3 000 degrés Celsius. Tous les autres métaux fondent ou se vaporisent à ces températures. Le tungstène ne le fait pas. La découverte que le tungstène pouvait servir de filament stable, faite indépendamment par plusieurs inventeurs au début du 20ème siècle, transforma l'ampoule de laboratoire fragile en un produit de consommation fiable. Bien que les ampoules à incandescence aient été largement remplacées par des LEDs, le filament en tungstène a défini un siècle d'illumination artificielle.
Les applications industrielles du tungstène reflètent sa dureté exceptionnelle et sa résistance à l'usure. Le carbure de tungstène cémenté — le tungstène combiné avec du carbone, lié avec du cobalt et fritté sous pression — est le matériau manufacturé le plus dur en usage industriel courant, plus dur que la plupart des pierres précieuses et résistant à l'usure à des températures qui ramolliraient l'acier. Le carbure de tungstène est utilisé pour les inserts de coupe dans les outils de travail des métaux, les pointes de forets pour l'exploration pétrolière et gazière, les matrices utilisées dans le tréfilage, et les surfaces d'usure dans l'équipement minier et de terrassement. Environ 60 % de la production mondiale de tungstène est destinée aux métaux durs et aux carbures.
La densité du tungstène — 19,3 grammes par centimètre cube, comparable à l'or — le rend utile dans les applications nécessitant des poids lourds et compacts : le lest dans les voitures de course, les contrepoids dans les pales de rotor d'hélicoptère, les poids d'équilibrage dans les systèmes de guidage de missiles, et les noyaux pénétrateurs denses des munitions perforantes.
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Le néodyme est un élément de terres rares — élément 60, un métal argenté dont la plupart des gens n'ont jamais entendu parler — dont les propriétés magnétiques spécifiques rendent possible la force et la miniaturisation des aimants permanents les plus puissants disponibles, et donc le fonctionnement d'une gamme remarquable de dispositifs dont dépend la vie moderne.
Les aimants en néodyme — en particulier l'alliage néodyme-fer-bore (NdFeB) développé indépendamment par General Motors $GM et Sumitomo Special Metals en 1984 — sont le type d'aimant permanent le plus puissant disponible, produisant des champs magnétiques plusieurs fois plus forts que l'ancien standard (samarium-cobalt) et environ dix fois plus forts que les aimants en ferrite communs. Leur force magnétique exceptionnelle par unité de volume en fait la technologie habilitante pour la miniaturisation des moteurs électriques, des générateurs et des assemblages magnétiques dans l'électronique grand public moderne.
Le disque dur d'un ordinateur portable contient des aimants en néodyme à la fois dans le moteur de la broche et dans l'actionneur à bobine mobile qui positionne la tête de lecture-écriture. Les haut-parleurs dans les écouteurs et les écouteurs utilisent des aimants en néodyme car leur haute intensité de champ permet à de petits assemblages de haut-parleurs légers de produire une pression sonore adéquate. Les moteurs de véhicules électriques — qui doivent produire un couple élevé dans un boîtier compact et léger — utilisent généralement des aimants en néodyme dans leurs assemblages de rotor ; un moteur de véhicule électrique typique contient environ un kilogramme de néodyme.
Les éoliennes utilisant des générateurs à aimants permanents — le design préféré pour les installations offshore où l'accès pour la maintenance est difficile — contiennent de grandes quantités de néodyme. Une seule grande éolienne offshore peut contenir 200 kilogrammes ou plus d'aimants de terres rares, faisant du néodyme un matériau critique pour la transition énergétique renouvelable aux côtés du lithium. La concentration de la production de néodyme en Chine — qui représente environ 85 % du traitement mondial des terres rares — a fait de la sécurité de la chaîne d'approvisionnement de ces matériaux une préoccupation importante pour les gouvernements poursuivant la décarbonisation.
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L'indium est l'élément 49, un métal mou, blanc argenté, produit en tant que sous-produit de la fusion du zinc en quantités de seulement quelques centaines de tonnes par an — en faisant l'un des éléments stables les plus rares dans la croûte terrestre par abondance. Son obscurité cache son importance : l'indium est dans l'écran de presque tous les dispositifs à affichage à cristaux liquides dans le monde, sous une forme que la plupart des gens touchent des dizaines de fois par jour sans le savoir.
L'oxyde d'indium-étain (ITO) — un film mince, transparent, et électriquement conducteur fabriqué à partir d'oxyde d'indium dopé avec de l'étain — est le matériau standard pour les électrodes transparentes dans les écrans LCD et les écrans tactiles. Un écran tactile fonctionne en détectant les changements dans le champ électrique à la surface de l'écran lorsqu'un doigt approche — la conductivité du doigt modifie la capacitance de la couche ITO, et le contrôleur tactile détecte l'emplacement du changement. Sans un conducteur transparent, un écran tactile capacitif n'est pas possible, et l'oxyde d'indium-étain est le matériau à la fois suffisamment transparent et suffisamment conducteur pour l'application.
Le marché mondial de l'indium est donc étroitement lié à l'industrie électronique grand public. Chaque smartphone, tablette, ordinateur portable et téléviseur à écran plat contient de l'ITO, et la demande d'indium a considérablement augmenté avec la prolifération des appareils à écran tactile au cours des deux dernières décennies. L'approvisionnement mondial limité — une production annuelle d'environ 900 tonnes, comparée à des millions de tonnes pour les métaux industriels courants — et la concentration de la production en Chine, en Corée du Sud, au Japon et au Canada font de l'indium un matériau critique dont les contraintes d'approvisionnement représentent une véritable préoccupation pour les fabricants d'électronique.
La recherche de substituts à l'indium — des matériaux conducteurs transparents alternatifs incluant le graphène, les nanotubes de carbone et les réseaux de nanofils d'argent — est active, motivée par le coût de l'indium et le désir de réduire la dépendance à un seul matériau pour une fonction essentielle à une industrie de plusieurs milliards de dollars.
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L'hafnium est l'élément 72, un métal brillant et argenté qui est chimiquement presque identique au zirconium — les deux sont si similaires dans leurs propriétés que les séparer dans le traitement des minerais a été l'un des défis les plus difficiles de la chimie du début du 20e siècle, et l'hafnium n'a été isolé comme élément pur qu'en 1923. Son obscurité est totale en dehors des cercles spécialisés, et pourtant il est présent dans chaque puce semi-conductrice avancée fabriquée aujourd'hui, dans un rôle devenu essentiel lorsque la miniaturisation des transistors a poussé les limites du dioxyde de silicium en tant que matériau isolant.
Dans un transistor, l'isolant de grille — la fine couche de matériau isolant qui contrôle le flux de courant à travers le canal du transistor — doit être suffisamment mince pour permettre à la tension de grille de contrôler le canal et suffisamment épaisse pour empêcher le courant de fuir à travers elle. À mesure que les transistors se réduisaient à des échelles nanométriques, l'isolant de grille en dioxyde de silicium devait être rendu si mince — environ un nanomètre, soit environ cinq atomes de silicium d'épaisseur — que l'effet tunnel quantique causait des fuites de courant inacceptables, augmentant la consommation d'énergie et la génération de chaleur.
Le dioxyde d'hafnium a résolu le problème. Il a une constante diélectrique environ cinq fois plus élevée que celle du dioxyde de silicium, permettant d'utiliser une couche physiquement plus épaisse tout en fournissant la même capacitance électrique — éliminant le problème de l'effet tunnel tout en maintenant les performances du transistor. Intel $INTC a introduit des diélectriques à base d'hafnium dans son nœud de processus de 45 nm en 2007, et tous les processus semi-conducteurs avancés ultérieurs utilisent des composés d'hafnium dans l'empilement de grille. Les transistors de chaque processeur d'ordinateur moderne, de chaque smartphone et de chaque circuit intégré avancé fabriqué après 2007 contiennent de l'hafnium.
Les quantités impliquées sont minuscules — quelques couches atomiques de composé d'hafnium par transistor, déposées par dépôt en couche atomique — mais la différence de performance est si significative que l'incorporation de l'hafnium a représenté l'un des progrès matériels les plus importants dans l'histoire des semi-conducteurs depuis l'introduction du silicium lui-même.
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Le phosphore est l'élément 15, un non-métal qui existe sous plusieurs formes, dont le phosphore blanc — un solide cireux, hautement réactif et toxique — et le phosphore rouge — une forme stable et non toxique utilisée dans les allumettes de sûreté — sont les plus familiers. Son importance biologique est comparable à celle du carbone et de l'azote : le phosphore est un composant de l'ADN et de l'ARN, de l'ATP (la principale monnaie énergétique de la cellule), des phospholipides (le composant structurel principal des membranes cellulaires), et de l'hydroxyapatite (le composant minéral des os et des dents).
L'importance agricole du phosphore est fondamentale et irremplaçable. Les plantes nécessitent du phosphore pour le transfert d'énergie, la division cellulaire et la synthèse des acides nucléiques, et la disponibilité du phosphore dans le sol est l'un des facteurs limitants principaux de la productivité des cultures. La roche phosphatée — extraite principalement au Maroc, qui détient environ 70 % des réserves mondiales — est traitée pour produire des engrais phosphatés qui maintiennent les niveaux de phosphore dans le sol requis par l'agriculture moderne à haut rendement. Contrairement à l'azote, qui peut être synthétisé à partir de l'atmosphère grâce au procédé Haber-Bosch, le phosphore n'a pas de réservoir atmosphérique et ne peut être obtenu que des dépôts de roche phosphatée qui sont finis et géographiquement concentrés.
La préoccupation concernant la disponibilité à long terme du phosphore — « pic de phosphore » — est moins immédiate que les craintes liées au pic pétrolier se sont avérées, mais la concentration géographique des réserves et l'absence d'une infrastructure de recyclage pour le phosphore dans les systèmes alimentaires est un véritable défi à long terme pour la sécurité alimentaire mondiale.
Les composés de phosphore ont des applications industrielles importantes au-delà des engrais. La chimie des organophosphates produit à la fois des agents neurotoxiques — les substances les plus toxiques synthétisées par l'homme, y compris le VX et le sarin — et la classe d'insecticides qui inclut le malathion et le chlorpyrifos, qui fonctionnent par le même mécanisme d'inhibition de l'acétylcholinestérase. L'acide phosphorique utilisé pour donner aux boissons de cola leur acidité caractéristique est de l'acide phosphorique à usage alimentaire, produit à partir de roche phosphatée — le même matériau géologique qui fertilise les cultures qui produisent les ingrédients de la boisson.
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L'hélium est l'élément 2, le deuxième élément le plus léger, le deuxième plus abondant dans l'univers après l'hydrogène, et l'un des éléments les plus importants d'un point de vue pratique dans la science et l'industrie modernes — bien qu'il soit, du point de vue de l'expérience quotidienne, principalement connu comme le gaz qui fait flotter les ballons et rend les voix aigües. Les applications festives sont réelles mais périphériques à la véritable importance de l'hélium.
L'application industrielle la plus critique de l'hélium est celle de réfrigérant cryogénique. Il a le point d'ébullition le plus bas de tous les éléments — 4,2 Kelvin, juste au-dessus du zéro absolu — faisant de l'hélium liquide la seule substance capable de refroidir les aimants supraconducteurs utilisés dans les machines IRM, les accélérateurs de particules et certains types d'ordinateurs quantiques à des températures où la supraconductivité se produit. Chaque scanner IRM dans chaque hôpital contient un grand volume d'hélium liquide maintenant les bobines de champ magnétique à 4 Kelvin. Le Grand collisionneur de hadrons au CERN utilise environ 120 tonnes d'hélium liquide pour refroidir ses aimants dipolaires supraconducteurs. Sans hélium, ni l'imagerie diagnostique qui a transformé la médecine ni les expériences de physique des particules qui ont élargi la compréhension humaine de la matière ne seraient possibles à l'échelle actuelle.
L'hélium est également utilisé comme gaz de protection inerte dans le soudage à l'arc de métaux réactifs, y compris le titane et l'aluminium, où la contamination atmosphérique de la piscine de soudure provoquerait une fragilisation. Les réacteurs nucléaires refroidis à l'hélium ont été proposés comme un design de réacteur avec des avantages de sécurité inhérents. Les lasers à hélium-néon produisent le faisceau rouge caractéristique utilisé dans les lecteurs de codes-barres de supermarché et les pointeurs laser.
La situation de l'approvisionnement en hélium est inhabituelle parmi les éléments. Il est extrait des gisements de gaz naturel souterrains où il s'est accumulé au cours du temps géologique par la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium dans les roches environnantes. Contrairement à la plupart des gaz, l'hélium libéré dans l'atmosphère est suffisamment léger pour échapper progressivement à la gravité de la Terre et est effectivement perdu pour la planète — en faisant une ressource véritablement non renouvelable. Les plus grandes réserves se trouvent aux États-Unis, au Qatar et en Russie, et les préoccupations concernant l'approvisionnement à long terme ont été discutées dans la communauté scientifique depuis au moins les années 1990.
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L'or est l'élément 79, un métal jaune dense et brillant dont les applications les plus célèbres — bijoux, monnaie et réserves monétaires — ne représentent qu'une fraction de son importance industrielle réelle. Les propriétés qui ont rendu l'or précieux pour les civilisations anciennes — sa résistance à la corrosion, sa malléabilité, sa couleur distinctive — sont les mêmes propriétés qui le rendent irremplaçable dans l'électronique moderne, l'aérospatiale et la médecine, bien que dans des quantités bien plus petites et pour des raisons beaucoup plus spécifiques.
La résistance de l'or à l'oxydation et à la corrosion est absolue dans des conditions normales — il ne rouille pas, ne ternit pas et ne réagit pas avec la plupart des produits chimiques, y compris l'oxygène et l'humidité de l'air. Cette inertie chimique en fait le matériau de contact idéal dans les connecteurs électriques, les interrupteurs et les circuits imprimés où une connexion fiable et à faible résistance doit être maintenue sur des décennies d'utilisation et des millions de cycles. Les connecteurs de bord sur les modules de RAM d'ordinateur sont plaqués or pour cette raison. Les connecteurs dans les engins spatiaux doivent fonctionner dans les variations extrêmes de température et l'environnement radiatif de l'espace pendant des années sans dégradation — l'or est le matériau qui peut le faire. Les combinaisons spatiales Apollo utilisaient des visières plaquées or pour réfléchir le rayonnement infrarouge et protéger les yeux des astronautes.
La conductivité électrique de l'or — bien que plus faible que celle du cuivre ou de l'argent — combinée à sa résistance à la corrosion en fait le matériau de contact préféré dans les applications où la fiabilité ne peut être compromise par l'oxydation. Un contact en cuivre ou en argent corrodé introduit une résistance et une non-fiabilité; un contact en or ne corrode pas et maintient donc des performances constantes indéfiniment.
En médecine, les composés de l'or sont utilisés comme traitements pour l'arthrite rhumatoïde depuis les années 1920 — le thiomalate de sodium et l'auranofine sont des médicaments antirhumatismaux modificateurs de la maladie ayant démontré leur efficacité, bien que leur mécanisme d'action ne soit pas encore entièrement élucidé. Les nanoparticules d'or sont un domaine actif de recherche en thérapie contre le cancer : leur capacité à absorber la lumière proche infrarouge et à la convertir en chaleur en fait des agents potentiels pour la thérapie photothermique, dans laquelle les nanoparticules sont ciblées vers les cellules tumorales puis activées par une source lumineuse externe pour détruire sélectivement la tumeur. Les nanoparticules d'or sont également utilisées dans les tests de diagnostic rapide, y compris certains tests de flux latéral pour la COVID-19, où leur couleur rouge distinctive à des concentrations nanométriques sert d'indicateur visible d'un résultat positif.
