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Il existe des billes dont le métier est de faire de la chimie. Enfermées dans un réacteur de laboratoire, elles fournissent par leurs chocs l'énergie mécanique qui permet certaines réactions avec très peu de solvant, voire sans solvant. Voici comment, et jusqu'où les sources vont.

Il existe des billes dont le métier n'est ni de rouler sur un trottoir ni de dormir dans un bocal sur une étagère. Elles vivent enfermées dans un petit réacteur de laboratoire, elles ne sortent jamais, et pendant qu'on les secoue très vite, elles font de la chimie. Pas au sens imagé : au sens strict. Leurs chocs peuvent fournir l'énergie mécanique nécessaire à des réactions habituellement conduites en solution, avec très peu de solvant, voire sans solvant. Deux établissements publics de recherche, l'un français et l'autre allemand, décrivent le même geste et lui donnent le même nom, la mécanochimie. Voici ce qu'ils en disent, et jusqu'où ils vont.

Un réacteur, des billes, et très peu de solvant, voire aucun

L'image courante du chimiste, rappelle CultureSciences-Chimie, la revue en ligne de l'École normale supérieure et de la direction générale de l'enseignement scolaire, reste celle d'un chercheur « versant des liquides dans des fioles et ballons ». La mécanochimie propose autre chose. Des réactifs solides sont placés dans un réacteur avec des billes, l'ensemble est mis en mouvement, et, pour reprendre les mots de la revue, « le mouvement du réacteur et des billes engendre des chocs à l'origine du broyage ».

Le Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, à Mülheim, décrit exactement la même mécanique dans une actualité publiée le 27 septembre 2022 ↗ (s'ouvre dans une nouvelle fenêtre). Les réactifs sont introduits dans une chambre de broyage avec les corps broyants, puis, écrit l'institut, « par rotation ou vibration, des collisions se produisent entre les billes et les produits chimiques. En transférant de l'énergie mécanique aux réactifs, ceux-ci sont activés et une réaction chimique peut avoir lieu ». Deux laboratoires publics, deux pays, deux équipes sans auteur commun, et la même phrase au fond.

Ce que cette absence de solvant change, la revue de l'ENS le formule ainsi : le système devient « très concentré », les réactifs restant à l'état solide, et la surface d'échange dépasse ce que l'on obtient en solution. La vitesse de réaction s'en trouve en général améliorée. Il arrive qu'on ajoute une très petite quantité de liquide comme assistant de broyage, et cet ajout est mesuré : le rapport entre le volume de solvant et la masse totale des réactifs ne doit pas dépasser 1,0 microlitre par milligramme pour que le système reste mécanochimique. En solution classique, ce même rapport dépasse généralement 10.

Ce que le choc fait aux molécules, et ce que personne ne sait encore

C'est ici que l'article devient intéressant, parce que la source elle-même s'arrête. Les forces à l'œuvre dans un réacteur peuvent être de plusieurs natures : compression, cisaillement, impact. Leurs effets se lisent à plusieurs échelles, de la réduction de la taille des particules à la modification de la structure cristalline, en passant par la création de surfaces réactives neuves, l'échauffement et l'activation de certaines liaisons. La revue de l'ENS ↗ (s'ouvre dans une nouvelle fenêtre) en tire une conclusion qu'elle écrit sans détour : « une réaction mécanochimique peut être un processus très complexe et la façon dont une énergie mécanique est transformée en énergie chimique est encore mal connue ».

Voilà une phrase rare. Une technique employée quotidiennement dans des laboratoires publics, et dont le mécanisme intime résiste encore. Les mêmes auteurs nomment d'ailleurs les limites de la méthode plutôt que de les contourner : le risque de contamination de l'échantillon par l'érosion du matériau du bol de broyage, la difficulté d'augmenter les quantités traitées, et l'impossibilité de conduire certaines réactions par cette voie.

La bille comme paramètre

Pour qui aime les billes, le passage le plus savoureux est celui où elles cessent d'être un accessoire pour devenir un réglage. La matière du réacteur et des billes, écrit la revue de l'ENS, « est un paramètre important », parce que la dureté est directement corrélée à l'énergie produite à l'intérieur. Des matériaux dits mous seront préférés quand la réaction demande peu d'énergie, ou quand l'un des réactifs risque de se décomposer. À l'inverse, toujours selon la même source, « les matériaux "durs" comme l'acier inoxydable ou le carbure de tungstène seront préférés pour les réactions plus coûteuses en énergie ».

Et la liste des réglages continue : la taille des billes, leur nombre, la fréquence du broyage, les additifs. Les photographies qui accompagnent l'article de l'ENS montrent, sur un broyeur vibrant, des billes en acier inoxydable, et sur un broyeur planétaire, des billes en oxyde de zirconium. Deux appareils, deux matières, deux mouvements. Dans le broyeur vibrant, dont le réacteur fait couramment de 1,5 à 50 millilitres en laboratoire, le mouvement est une oscillation dont la fréquence peut aller de 3 à 50 hertz. Dans le broyeur planétaire, dont les réacteurs vont de 12 à 500 millilitres selon les modèles, les réacteurs tournent sur eux-mêmes en même temps que la plateforme qui les porte, « comme les planètes autour du soleil » selon l'image de la revue. Les forces dominantes ne sont pas les mêmes : l'impact de la bille sur la paroi dans le premier cas, le cisaillement dans le second.

Un geste très ancien, nommé très tard

L'histoire que raconte la revue de l'ENS mérite d'être restituée avec ses incertitudes intactes, parce qu'elle en a.

La première réaction mécanochimique connue est décrite dans un court ouvrage intitulé Les pierres, rédigé au IV^e siècle avant notre ère par Théophraste d'Érésos, l'un des étudiants d'Aristote. Il y rapporte la réduction du cinabre en mercure liquide, à l'aide d'un mortier et d'un pilon en cuivre, en présence de vinaigre. C'est, précise la revue, « le seul document rapportant une réaction mécanochimique aussi tôt dans l'histoire ». Il faut ensuite attendre 1820 et un article de Michael Faraday sur la réduction du chlorure d'argent par broyage, qu'il nomme réaction « par voie sèche » sans la détailler davantage.

Le nom, lui, arrive au tournant des XIX^e et XX^e siècles. Le chimiste germano-balte Friedrich Wilhelm Ostwald décrit les effets chimiques de l'énergie mécanique dans les deux premières éditions de son traité de chimie générale, en 1887 et en 1893, mais c'est en 1919 seulement qu'il formalise le concept en rangeant la mécanochimie aux côtés de la thermochimie, de l'électrochimie et de la photochimie. Sur la paternité du mot lui-même, la revue reste prudente, et nous le restons avec elle : Ostwald « n'inventa pas le mot lui-même », qui était « probablement utilisé de manière informelle plusieurs années » avant sa nomenclature. Nous n'en savons pas plus, et personne ne devrait écrire le contraire.

Quant à la définition en vigueur, elle est celle de l'Union internationale de chimie pure et appliquée : une réaction mécanochimique est « une réaction chimique qui est induite par absorption directe d'énergie mécanique », le cisaillement, l'étirage et le broyage en étant les méthodes typiques. La même union a rangé la mécanochimie, en 2019, parmi les dix technologies émergentes capables de rendre le monde plus durable.

Ce que cela dit, et ne dit pas, de nos billes

Disons-le une dernière fois, parce que la distinction compte : les billes dont il est question ici sont des corps broyants de laboratoire. Ce ne sont pas les billes vendues par MesBilles. Les nôtres sont choisies pour le jeu, la collection, la décoration ou la création ; elles ne sont pas conçues ni testées pour les contraintes mécaniques d'un réacteur. La forme peut être la même. L'objet, lui, ne l'est pas.

Ce qui se transmet, en revanche, c'est une manière de regarder. Matière, calibre, quantité : dans un broyeur de laboratoire, chacun de ces paramètres peut modifier le résultat. Avec des conséquences qui n'ont évidemment rien à voir avec l'usage de nos billes. Et l'idée qu'une sphère, en se cognant à ses voisines, produise quelque chose que sa seule forme ne laissait pas prévoir, c'est peut-être ce que les billes ont de plus constant, du laboratoire de Mülheim à la table de la cuisine.

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