Ces alliages, capables d'absorber et de libérer de la chaleur lorsqu'ils sont déformés, sont essentiels à une autre avancée majeure de l'équipe : le refroidissement et le chauffage élastocaloriques, une alternative écologique et écoénergétique aux systèmes conventionnels.
Le second type de matériau intelligent exploré par Motzki et son équipe est un film de silicone fin et très flexible aux propriétés extraordinaires. En ajustant la tension électrique appliquée, ces films polymères peuvent effectuer une grande variété de mouvements (vibration, tapotement, poussée ou traction), ce qui les rend idéaux pour la création de mini-moteurs légers et basse consommation. L'équipe de Paul Motzki utilise ces actionneurs polymères pour développer des pompes et des vannes innovantes. Elle les applique également aux textiles afin de créer des interfaces portables et réactives qui servent de pont haptique entre le corps et les systèmes numériques. Ces films peuvent aussi être utilisés dans les écrans de smartphones pour créer des boutons dynamiques et un retour haptique.

Paul Motzki, pionnier dans ce domaine, réalise aujourd'hui une première mondiale en combinant deux technologies : les alliages à mémoire de forme et les actionneurs en élastomère diélectrique. Cette avancée majeure ouvre la voie au refroidissement élastocalorique, un domaine émergent. Le Conseil européen de la recherche (ERC), principal financeur de la recherche de pointe en Europe, soutient ces travaux novateurs grâce à une subvention initiale d'environ 1,5 million d'euros sur cinq ans.

Ces deux technologies présentent des avantages clés : légères et économes en énergie, elles sont aussi respectueuses de l’environnement que l’électricité qui les alimente. Grâce à leur capacité à exercer une force considérable dans un espace réduit, on les appelle souvent « muscles artificiels ». L’objectif de Motzki est d’associer ces muscles artificiels à des mini-moteurs en matériaux intelligents afin de créer des unités de réfrigération extrêmement plates, compactes et légères, et donc faciles à intégrer à d’autres systèmes.

Motzki travaille également à la commercialisation de la technologie élastocalorique grâce à un autre projet financé par l'UE. En 2024, Paul Motzki et son équipe ont fait partie d'un consortium européen lauréat du prestigieux prix EIC Pathfinder Challenge du Conseil européen de l'innovation, assorti d'un financement de 4 millions d'euros. Avec ses partenaires, il développe actuellement un prototype de système de climatisation résidentiel basé sur les principes de l'élastocalorique. Le prix EIC Pathfinder récompense les « technologies nouvelles, visionnaires et novatrices susceptibles de faciliter les transitions sociétales nécessaires, de relever les défis mondiaux et de créer de nouveaux marchés ». Motzki, qui est également professeur à l'Université de la Sarre, directeur scientifique et directeur général du Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck, explique la différence entre les deux prix : « Le prix EIC Pathfinder vise à accélérer la transformation de la recherche en applications pratiques, tandis que la bourse de démarrage du Conseil européen de la recherche (ERC) soutient la recherche fondamentale destinée à élargir les bases scientifiques de la technologie élastocalorique. »

Il est rare qu'un chercheur obtienne à la fois la bourse EIC Pathfinder et la bourse de démarrage ERC de l'UE. Le financement européen complémentaire accordé aux recherches de Motzki sur l'utilisation d'alliages à mémoire de forme dans les implants médicaux intelligents provient du projet Horizon Europe « SmiLE – Implants intelligents pour l'enrichissement de la vie », doté de 21 millions d'euros et impliquant 25 institutions de premier plan issues de 12 pays européens.

Contexte :
élastocalorique
. Le refroidissement élastocalorique est une technologie novatrice, respectueuse de l'environnement et écoénergétique, fonctionnant sans fluides frigorigènes nocifs ni combustibles fossiles. Depuis des années, Motzki et son directeur de thèse, Stefan Seelecke, développent cette technologie à l'Université de la Sarre et au Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck, grâce à plusieurs projets de recherche dotés de plusieurs millions d'euros. La Commission européenne a identifié le refroidissement élastocalorique comme l'alternative la plus prometteuse aux méthodes conventionnelles, et le Forum économique mondial l'a inclus parmi les « Dix technologies émergentes prioritaires » pour 2024. L'équipe de Sarrebruck a déjà construit un prototype de mini-réfrigérateur et développe actuellement des systèmes de refroidissement pour véhicules.
Le refroidissement élastocalorique fonctionne en étirant de manière répétée des fils ou des feuilles de nickel-titane, puis en les laissant se détendre, permettant ainsi à la chaleur d'être absorbée dans une zone et dissipée dans une autre. Qu'il soit utilisé pour le refroidissement ou le chauffage, le système peut atteindre des différences de température d'environ 20 °C. « Ceci s'applique à un composant à un seul étage », explique Motzki. « Si nous construisons des systèmes à plusieurs étages, nous pouvons obtenir des différences de température beaucoup plus importantes. »

Le développement de tous les prototypes élastocaloriques à Sarrebruck repose sur une propriété remarquable de l'alliage nickel-titane : la mémoire de forme. L'eau existe sous trois états physiques, ou « phases » : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur d'eau). L'alliage nickel-titane possède deux phases. Bien que toutes deux soient solides, leurs réseaux cristallins présentent des dimensions légèrement différentes. Le terme « mémoire de forme » désigne simplement la capacité du nickel-titane à retrouver un état antérieur (structure cristalline) grâce à une transformation de phase réversible. Lors de la transformation d'une phase en l'autre, les fils ou les feuilles en alliage à mémoire de forme (AMF) de nickel-titane absorbent la chaleur ; lors de la seconde transformation, le matériau dissipe cette chaleur dans son environnement. Ainsi, l'air ou le liquide qui circule sur l'alliage nickel-titane pendant le changement de phase se refroidit ou se réchauffe, un effet qui peut être exploité, par exemple, dans des systèmes de chauffage ou de refroidissement. « Selon l'application spécifique, nous utilisons des fils ou des feuilles minces en alliage à mémoire de forme (AMF), ou nous créons des composants imprimés en 3D avec des géométries complexes», explique Motzki.

À Sarrebruck, des chercheurs développent des systèmes de refroidissement et de chauffage pratiques en concevant des prototypes dotés de mécanismes intelligents qui chargent et déchargent cycliquement des composants à mémoire de forme. Ces travaux de développement s'appuient sur de nombreux projets de recherche qui ont étudié comment des systèmes d'entraînement compacts peuvent maintenir en mouvement constant des feuilles ou des fils en alliage à mémoire de forme.

Les nouveaux prototypes en cours de développement intégreront des films d'élastomères diélectriques comme moteurs ultracompacts. « Nous utilisons ces élastomères diélectriques pour développer des systèmes d'entraînement novateurs qui ne nécessitent pas de capteurs supplémentaires », explique Paul Motzki. Les films sont recouverts sur leurs deux faces d'une couche conductrice très flexible, leur permettant de réagir aux variations de tension et d'effectuer des mouvements précis et économes en énergie. Lorsqu'une tension électrique est appliquée au film polymère, ces couches conductrices s'attirent, comprimant le polymère et provoquant son expansion latérale, ce qui augmente sa surface. « En modulant le champ électrique appliqué, nous pouvons contrôler très précisément le mouvement du film et lui faire effectuer des flexions variables en continu ou vibrer à une fréquence ou une amplitude souhaitée. En résumé, nous créons un moteur ultraléger, efficace et économe en énergie», conclut Motzki.

Les films diélectriques et les câbles à mémoire de forme sont intrinsèquement capables de fournir des informations grâce aux variations de leur capacité ou de leur résistance électrique, éliminant ainsi tout besoin de capteurs externes. « Nous pouvons utiliser ces valeurs mesurées pour déterminer la déformation du film ou des câbles. Notre technologie est en quelque sorte auto-détectrice, puisqu'elle intègre ses propres capteurs de position », ajoute-t-il. « Nous utilisons l'intelligence artificielle pour associer ces mesures électriques à des séquences de mouvement spécifiques, ce qui nous permet de contrôler avec précision le mouvement de nos actionneurs, variateurs ou moteurs. »

Horizon Europe
est le neuvième programme-cadre de recherche de l'UE et la plus importante initiative de financement unique au monde pour la recherche et l'innovation. Son objectif est de favoriser une société du savoir et axée sur l'innovation, de construire une économie compétitive et de promouvoir le développement durable.
Les bourses de démarrage du Conseil européen de la recherche (ERC) sont attribuées par ce dernier afin de soutenir les jeunes chercheurs menant des recherches fondamentales prometteuses.

Le professeur Paul Motzki
est professeur de systèmes de matériaux intelligents à l'Université de la Sarre et directeur scientifique du Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck (ZeMA), où il dirige le département de recherche sur les systèmes de matériaux intelligents.

Il a étudié la mécatronique à l'Université de la Sarre, où il a obtenu son doctorat en 2018 pour ses travaux sur les alliages à mémoire de forme thermique. En 2016, il a pris la direction du groupe de recherche Capteurs et Actionneurs au ZeMA. Après avoir soutenu sa thèse en 2018, il a pu développer son groupe de recherche au ZeMA, ce qui a conduit à la création du département de recherche sur les systèmes de matériaux intelligents. En 2022, Paul Motzki a été nommé professeur associé à l'Université de la Sarre (Département de génie des systèmes) et au ZeMA, au sein du département Systèmes de matériaux intelligents pour la production innovante (SMiP). Depuis 2023, il préside le comité technique VDI/VDE GMA 2.16 : Matériaux et systèmes intelligents. Il est également membre du conseil d'administration du réseau smart3, directeur du conseil SMST chez ASM International, membre du Sénat ASME SMASIS et cofondateur de l'International Elastocalorics Society (IES).