Concevoir des matériaux qui défient le flux thermique
11 Mar 2026L'association de principes physiques simples, de l'apprentissage automatique et de la spectroscopie neutronique permet d'identifier des cristaux présentant une conductivité thermique exceptionnellement faible.
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De l'électronique aux systèmes énergétiques, la maîtrise de la chaleur constitue un défi constant. Normalement, la chaleur se propage très rapidement dans les cristaux. Or, des chercheurs ont découvert un cristal dans lequel elle se déplace au ralenti, presque comme si elle traversait du verre.
Cette avancée se distingue avant tout par sa méthode : au lieu de s'en remettre à la méthode empirique des essais et erreurs, l'équipe a élaboré une règle physique simple, combinée à un criblage par apprentissage automatique, pour identifier des candidats prometteurs parmi des milliers de matériaux.
Les mesures de diffusion neutronique effectuées à l'Institut Laue-Langevin ont permis à l'équipe de comparer leurs prédictions théoriques avec les vibrations atomiques réelles à l'intérieur du cristal. En confirmant que le comportement prédit correspond aux observations expérimentales, ces mesures viennent valider le modèle proposé, dans lequel les vibrations qui assurent normalement le transfert de chaleur sont fortement perturbées.
Le résultat dépasse la simple création d'un cristal présentant une conductivité thermique exceptionnellement faible : il s'agit d'une nouvelle stratégie permettant de concevoir des matériaux capables de contrôler la chaleur de manière plus efficace.
Pourquoi la chaleur est-elle si difficile à maîtriser ?
La chaleur est omniprésente, et sa maîtrise constitue un défi permanent. L'électronique surchauffe, les moteurs perdent de l'énergie sous forme de chaleur, et les matériaux d'isolation thermique sont poussés à leurs limites.
Dans les solides cristallins, la chaleur est transportée par les vibrations collectives des atomes, appelées phonons. Comme les atomes y sont disposés selon un motif périodique et ordonné, les phonons peuvent se propager efficacement à travers le cristal, permettant à la chaleur de circuler facilement. Ce transport de chaleur par les vibrations atomiques est quantifié par la conductivité thermique du réseau (κL)
Le comportement des verres et des matériaux amorphes est très différent. Contrairement aux cristaux, leurs atomes sont disposés de manière plus aléatoire et irrégulière. Cette irrégularité empêche les vibrations (ou phonons) de circuler de manière fluide dans le matériau, ce qui entraîne une conductivité thermique bien plus faible.
Créer un cristal qui bloque la chaleur comme le fait le verre est depuis longtemps un objectif pour les scientifiques, mais qui s'est avéré extrêmement difficile à atteindre.
Une règle étonnamment simple
Traditionnellement, la découverte de matériaux présentant une très faible conductivité thermique de réseau nécessite des calculs coûteux ou des expériences fastidieuses. Bien qu'il existe des modèles empiriques, ils reposent sur de nombreux paramètres ajustables et ne sont pas adaptés à un criblage rapide à grande échelle.
Dans cette étude, les chercheurs ont identifié un descripteur universel simple, conçu pour estimer la conductivité thermique du réseau en utilisant uniquement deux propriétés fondamentales d'un cristal :
- Le nombre d'atomes constituant son unité répétitive (le nombre d'atomes dans la maille unitaire primitive).
- La vitesse à laquelle les vibrations (phonons) se propagent dans le matériau (la vitesse du son dans le matériau).
Pour tester leur hypothèse, les scientifiques ont compilé des mesures expérimentales de conductivité thermique à température ambiante (~ 27 °C) pour plus de 60 matériaux cristallins différents, couvrant une large gamme de conductivités thermiques, des matériaux les plus conducteurs aux plus isolants. Ils ont mis en évidence une relation linéaire claire et cohérente (à l'échelle logarithmique) entre la conductivité thermique et le descripteur qu'ils ont proposé.
Ce descripteur simple permet d'identifier rapidement les matériaux susceptibles d'être de très mauvais conducteurs thermiques, sans avoir à effectuer de calculs complexes sur la propagation des vibrations dans le cristal.
De 153 902 matériaux à 2 candidats
Grâce à cette approche et aux calculs par apprentissage automatique, l'équipe a rapidement criblé des dizaines de milliers de matériaux connus. Parmi eux, deux halogénures métalliques : CsAg₂I₃ et CsCu₂I₃ se sont distingués.
Lorsque ces matériaux ont été synthétisés et mesurés en laboratoire, le résultat a été remarquable. La conductivité thermique du réseau est exceptionnellement faible dans ces matériaux, parmi les plus basses jamais mesurées pour un solide cristallin, et ce, de manière presque constante sur une large plage de températures. (CsAg₂I₃ présente une conductivité thermique de réseau comprise entre 0,15 et 0,16 W·m⁻¹·K⁻¹ entre 170 and 400 K et CsCu₂I₃: 0.18 – 0.20 W·m⁻¹·K⁻¹ entre 300 and 523 K
Il est intéressant de noter que, le cristal de CsAg₂I₃ présente un comportement thermique plus proche de celui d'un verre que de celui d'un cristal, affichant une conductivité thermique presque indépendante de la température sur une vaste plage.
Schéma du processus de criblage à haut débit. A partir de plus de 150 000 composés connus dans la base de données Materials Project, les chercheurs ont appliqué une série de filtres physiques et chimiques, puis ont utilisé des calculs par apprentissage automatique pour estimer les propriétés de transport de chaleur. Cette sélection étape par étape a permis de réduire la recherche à quelques centaines de candidats prometteurs dotés d'une conductivité thermique extrêmement faible. Crédit : Nature Communications (2025).
Les neutrons sondent la dynamique microscopique
Identifier un tel matériau ne constitue que la première étape. Comprendre pourquoi il se comporte ainsi nécessite d'observer comment les atomes se déplacent réellement, ce que seules quelques techniques expérimentales permettent de faire.
C'est ici que la diffusion de neutrons joue un rôle décisif. À l'Institut Laue-Langevin (ILL), à Grenoble, des scientifiques ont utilisé des mesures de diffusion inélastique des neutrons, réalisées sur le spectromètre à temps de vol PANTHER, pour observer les vibrations atomiques à l'intérieur du cristal en fonction des variations de température (de 1,5 à 300 K).
Ils ont ainsi prouvé que les vibrations microscopiques (les phonons) des matériaux modélisés étaient correctes. Au lieu de se propager de manière fluide à travers le matériau sous forme d'ondes bien définies, ces vibrations interagissent fortement les unes avec les autres et perdent rapidement leur caractère collectif. En conséquence, la chaleur ne circule pas de manière ondulatoire, mais se propage plutôt de façon diffusive, un comportement que l’on observe habituellement dans les verres, et non dans les cristaux.
Bien que la structure atomique reste parfaitement ordonnée, la manière dont les atomes se déplacent empêche la chaleur de se propager efficacement.
Une nouvelle stratégie pour concevoir des matériaux thermiques
En corrélant des paramètres physiques mesurables et simples aux mouvements atomiques au sein d'un cristal, et en validant cette corrélation par spectroscopie neutronique, cette étude démontre qu'il est possible de prédire, d'identifier et de comprendre le transport de la chaleur dans les cristaux de manière systématique. Au-delà de ce cristal spécifique, les implications sont considérables. Les matériaux à très faible conductivité thermique jouent un rôle crucial dans les dispositifs thermoélectriques, les revêtements de barrière thermique et les technologies écoénergétiques, où la maîtrise du flux thermique est essentielle pour garantir performance et durabilité.
Plus largement, ces travaux reflètent une évolution dans la découverte de nouveaux matériaux, qui s'éloigne des méthodes empiriques et isolées basées sur les essais et erreurs pour s'orienter vers une exploration guidée par la théorie et les données.
Références:
X. Shen, J. Zheng, M. M. Koza, P. Levinsky, J. Hejtmanek, P. Boullay, B. Raveau, J. Wang, J. Li, P. Lemoine, C.Candolfi & E. Guilmeau, Accelerated discovery of crystalline materials with record ultralow lattice thermal conductivity via a universal descriptor. Nature Communications (2025). (https://www.nature.com/articles/s41467-025-67333-z)
Instrument ILL: PANTHER
Contact ILL: Michael Marek Koza
Institutions impliquées dans la recherche: CRISMAT, CNRS, Caen-Normandy University, Northwestern Polytechnical University, Dartmouth College, Czech Academy of Science, ShanghaiTech University, Université de Lorraine