De quelques millimètres seulement, ce petit bout de cristal naturel est aujourd’hui un élément indispensable pour rythmer l’heure dans nombreux de nos appareils électroniques, mais aussi, et depuis plus longtemps, dans nos montres sur nos poignets, qu'elles soient analogiques (avec des aiguilles) ou numériques (avec des chiffres).
Ne vous êtes-vous jamais demandé pourquoi nos ordinateurs portables, tablettes et smartphones donnent toujours l’heure exacte, même après avoir ‘crashé’ par manque de batterie pendant plusieurs heures ou sans être connectés à un réseau internet ? Comme si l’heure circulait dans l’air et venait directement réajuster nos appareils électroniques une fois réanimés… Sorcellerie ! Même si la période des fêtes d'hiver est propice à la magie, il s’agit ici de l'œuvre d’une minuscule technologie : un oscillateur à quartz piézoélectrique. De quelques millimètres seulement, ce petit bout de cristal naturel est aujourd’hui un élément indispensable pour rythmer l’heure dans nombreux de nos appareils électroniques, mais aussi, et depuis plus longtemps, dans nos montres sur nos poignets, qu'elles soient analogiques (avec des aiguilles) ou numériques (avec des chiffres).
Même avec une batterie HS, le petit morceau de quartz (de formule chimique SiO2) sur notre carte mère, taillé comme un minuscule diapason, à la capacité de vibrer à une fréquence bien précise - sa fréquence de résonance, avec seulement un très faible apport énergétique extérieur. Son «pouvoir vibratoire» - et nous ne parlons pas ici de lithothérapie, est permise grâce à son caractère piézoélectrique (du grec πιέζειν, piézein, presser, appuyer) : le quartz possède en effet une structure moléculaire particulière lui permettant de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique, et réciproquement de se déformer lorsqu’on lui applique un champ électrique. Pour parler plus clairement, le quartz fournit donc sa propre énergie en boucle fermée pour osciller : il se déforme, produit un courant alternatif à une fréquence bien précise, qui le déforme encore suivant cette même fréquence, produisant à nouveau du courant, et ainsi de suite. C’est un phénomène ultra rentable d’un point de vue énergétique, puisque seule une petite pile bouton dans nos montres ou autres appareils électroniques est nécessaire pour provoquer la première déformation du cristal et compenser les minimes perte d’énergies. C’est pour cela que nos montres semblent increvables et peuvent fonctionner jusqu’à 5 ans sans remplacer la pile. La fréquence d'oscillation du quartz taillé pour nos montres est de 32 768 Hz, soit 2^15 Hz. Un mécanisme très précis convertit ensuite cette fréquence pour la descendre à 1 Hz, soit une oscillation très stable par seconde - et c’est cette impulsion qui fait trotter nos aiguilles de montres-bracelets ou indique un changement d’heure sur nos écrans !
Pour en arriver à nos poignets, le quartz est d’abord passé par d’autres dispositifs et inventions. Comme d’autres cristaux piézoélectriques naturels, il a suscité la curiosité de nombreux scientifiques qui ont cherché à attribuer ses pouvoirs pour diverses applications. Les premiers à avoir démontré le phénomène en laboratoire sont Pierre et Jacques Curie en 1880 (Pierre Curie et Jacques Curie (1880) : Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées, Bulletin de la Société Minéralogique de France, vol. 3, 4).
Mais ça n’est qu’à la fin de la Première Guerre mondiale, que le premier brevet pour une application de la piézoélectricité hors laboratoire voit le jour. Paul Langevin, qui était un étudiant de Curie et donc familier du phénomène piézoélectrique, a alors eu l’idée d’utiliser le quartz pour la confection d’un sonar et calculer la distance à des objets sous-marins (brevet numéro : FR502913A). Le quartz, alors taillé en lames et assemblé entre des plaques d’acier, servait à traduire un signal électrique en déformations à hautes fréquences ultrasonores émises dans l’eau - comme transducteur, et également, inversement, à traduire des fréquences échos ultrasonores reçues en signaux électriques correspondants. Seul ce type de cristal était alors capable de faire cela dans les deux sens.
Le sonar de Langevin ne manque pas de faire parler. Sa méthode est notamment discutée lors d’une conférence sur le sujet des dispositifs de mesures sous-marins, auquel un certain Walter Cady, ingénieur physicien américain, participe et y trouve un grand intérêt. Ce dernier laisse alors tomber ses méthodes de détection sous-marine par changement de champ magnétique ou de conductivité, pour se consacrer pleinement à la méthode piézoélectrique de Langevin. Il n’étudie alors pas uniquement le quartz, mais aussi le sel de Rochelle, cristal soluble, mais avec un effet piézoélectrique plus prononcé. Cady se concentre notamment sur un phénomène permettant l’émission et la réception d’ondes avec le minimum d'apport énergétique extérieur : la résonance. En alimentant le quartz et le sel de Rochelle avec un courant alternatif de la même fréquence que leurs fréquences vibratoires naturelles, ces derniers vibrent de façon optimale et renvoient un courant alternatif de la même fréquence. Il remarque alors que les cristaux piézoélectriques oscillent en résonance à des fréquences bien nettes et stables dépendamment de leur taille, résultant en des signaux extrêmement précis pouvant servir de «standards de fréquences». C’est alors qu’il breveta, en 1923, l’oscillateur à quartz : un dispositif en boucle fermé permettant à un morceau de quartz d'osciller infiniment à sa fréquence naturelle (brevet numéro : US1450246A). L’oscillation au quartz piézoélectrique est alors une véritable révolution, car elle permet une oscillation très précise, inaudible et ne nécessitant que peu d’apport électrique autre que le quartz lui-même. Une technologie d’oscillation quasi-increvable !
Nous voilà enfin arrivés à l’horlogerie ! C’est alors dans les années 1960, que l’invention aux cristaux piézoélectriques remplace les systèmes précédents d’oscillation au pendule ou d’oscillation mécanique dans les horloges et les montres. Et c’est la firme horlogère japonaise Seiko qui est la première à commercialiser, en 1969, la première montre-bracelet à quartz, avec un boîtier en or, désignée sous le nom d’«Astron», en vente au prix de 450 000 ¥ (!!!). La Suisse suit de près, en commercialisant des montres à quartz utilisant le «mouvement beta 21» à partir de 1970, un projet qui a réuni 21 entreprises horlogères suisses concurrentes.
Depuis, la recherche sur de nouveaux matériaux diélectriques plus puissants a notamment permis la synthèse de matériaux aux coefficients piézoélectriques plus forts que les cristaux naturels, tels que le titanate de baryum (BaTiO3) et les titano-zirconate de plomb (PbZrxTi1-xO3, abrégé en PZT), qui sont les plus largement utilisés dans l’industrie aujourd’hui. Avec ses matériaux de synthèse, il est donc maintenant possible de jouer sur leur composition et structure chimique, rendant réalisable d'ajuster leurs propriétés piézoélectriques pour des applications spécifiques, dans une multitude de secteurs différents !
Aujourd’hui, la technologie piézoélectrique est à l’étude dans le domaine médical, pour la conception de mini robots pouvant suivre en temps réel des paramètres vitaux dans un corps. Des chercheurs de l’Université de Columbia aux Etats-Unis, ont déjà développé une puce au volume inférieur à 0,1 mm3 capable de suivre en temps réel les évolutions de la température chez des souris (Chen Shi et al. (2021) : Application of a sub–0.1-mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing, Science Advances, vol. 7, 19). Une taille de puce rendue possible uniquement par l’utilisation de PZT piézoélectrique pour renvoyer des données au format ultrason, sans batterie supplémentaire, ne nécessitant donc pas de circuits imprimés lourds.
La téléphonie s’intéresse aussi aux matériaux piézoélectriques : des scientifiques à travers le monde tentent de mettre au point un dispositif utilisant la piézoélectricité pour convertir du mouvement ou du son de notre environnement en énergie pour recharger nos téléphones portables (Une conférence récente sur le sujet : Ashish Tiwary, Yashraj, Amar Kumar et Mandeep Biruly (2019) : Energy Conservation Perspective for Recharging Cell Phone Battery Utilizing Speech Through Piezoelectric System, Innovations in Bio-Inspired Computing and Applications).
Enfin, et probablement l’application la plus éloignée des premiers sonars et des aiguilles indiquant les secondes, concerne l’«electric gum» développé par des chercheurs de l'université Meiji au Japon (Timothy Revell (2018) : Electric chewing gum zaps your tongue to create a virtual flavour hit, New Scientist). Ici, des particules de poudre piézoélectrique contenus dans le chewing-gum produisent de petites décharges électriques sur la langue, permettant de stimuler certains goûts sans l’emploi de molécules gustatives.
La piézoélectricité de ces pierres, naturelles ou synthétiques, permet donc une véritable «techno-thérapie», en boostant l’innovation technologique dans une multitude de secteurs !