Cela leur permettra de créer des piles nucléaires sûres d'une durée de service de 100 ans pour des stimulateurs cardiaques, des capteurs miniatures de sucre ou de pression artérielle, des systèmes de télémétrie de sites éloignés, des micro-robots, ainsi que des dispositifs de longue autonomie, explique le service de presse de l'université.
Le problème de la miniaturisation
Les études des propriétés des objets nanodimensionnels suscitent aujourd'hui un intérêt particulier des spécialistes à cause de la tendance à miniaturiser les dispositifs techniques, notamment dans le domaine de la nanoélectronique. Les acquis dans le domaine de la création des systèmes micro- et nano-électromécaniques regroupant dans un même dispositif de la nanoélectronique et des éléments mécaniques comme des mécanismes, des pompes ou des moteurs, peuvent être prometteurs pour concevoir des capteurs microscopiques, physiques, biologiques ou chimiques.
Cependant, l'exploitation massive de tels dispositifs est empêchée par l'absence de sources de courant miniatures pour faire fonctionner des systèmes micro-électromécaniques et nano-électromécaniques.
Une autre approche du problème de l'alimentation des systèmes micro- et nano-électromécaniques est liée à l'utilisation de piles radioisotopiques.
Les piles radioisotopiques, également dites nucléaires ou atomiques, sont des sources de courant où l'énergie de désintégration radioactive des éléments métastables — noyaux atomiques — se transforme en électricité. Elles se caractérisent par une forte densité d'énergie pour une unité de masse ou de volume. La période d'émission stable de l'énergie varie dans des proportions importantes en fonction du choix du nucléide. Les piles radioisotopiques peuvent fonctionner longtemps et de manière stable, elles n'ont pas besoin d'entretien et sont silencieuses.
Les propriétés uniques du nickel 63
Aujourd'hui, l'une des solutions les plus rapides pour transformer l'énergie de désintégration nucléaire en électricité est la transformation thermoélectrique. Cependant, les chercheurs étudient activement les sources de courant béta-voltaïques qui représentent un grand intérêt pour un usage pratique. Le fait est qu'en utilisant un radioisotope émettant un rayonnement béta doux dans une source de courant miniature, il serait facile de créer un système de protection physique de l'utilisateur et des objets environnants contre les radiations. C'est pourquoi ces sources sont considérées comme prometteuses pour un usage civil.
Le radioisotope du nickel 63 compte parmi les radionucléides les plus prometteurs en béta-voltaïque. C'est un émetteur béta doux avec une longue période de demi-vie — 100,1 ans. C'est pourquoi le nickel 63 est un élément unique qui convient pour alimenter à long terme des systèmes qui ne nécessitent pas d'importantes quantités d'énergie.
Du point de vue du matériau, le nickel est également un métal assez pratique — plastique, relativement inerte, facile à traiter —, et travailler avec lui ne nécessite pas de conteneur de transport et de stockage.
Selon les chercheurs, l'amélioration de l'efficacité des transformateurs actuels de l'énergie de béta-désintégration du nickel 63 en électricité, ainsi que la recherche de systèmes physiques alternatifs, sont des tâches extrêmement prometteuses de la science moderne.
Les nouvelles approches des chercheurs du MEPhI
Les chercheurs ont créé un système physique original permettant de procéder à une génération efficace d'électrons secondaires directement à l'intérieur des couches nanostructurelles du nickel et à améliorer significativement le signal du courant provoqué par une cascade de multiples collision inélastiques de béta-particules, déclare Piotr Borisiouk, maître de conférences à la chaire d'études physiques et techniques en métrologie à l'Institut des technologies laser et plasma du MEPhI.
«Ce système est relativement simple du point de vue de la réalisation expérimentale et représente un ensemble de nanostructures denses de nickel avec une répartition dégradée de nanoparticules par taille à la surface d'un diélectrique à bande interdite large — l'oxyde de silicium», explique le scientifique.
Les résultats obtenus par les chercheurs confirment que les couches nanostructurelles dégradées de nickel obtenues possèdent des propriétés uniques. Le domaine d'utilisation des sources radioisotopiques avec une transformation thermoélectrique est pratiquement illimité. Il s'étend des piles nucléaires de taille extrêmement réduite pour alimenter les systèmes micro- et nano-électromécaniques aux cardiostimulateurs, capteurs miniatures de sucre ou de pression artérielle, en passant par les micro-robots de différentes spécialisations, ainsi que des dispositifs pour un travail autonome de longue durée dans l'espace lointain, à de grandes profondeurs et dans l'Extrême-Nord.
L'étude des chercheurs du MEPhI a été réalisée dans le cadre d'une bourse du Fonds scientifique russe (RNF).
