Source de force inconnue

Les humains utilisent le nickel depuis à peu près aussi longtemps qu’ils produisent des objets métalliques. Élément relativement abondant – le 24e plus abondant sur terre – le nickel se trouve dans des gisements de minerai métallique partout dans le monde. Les anciens appréciaient ces minerais comme une source de métaux aux propriétés intéressantes, telles que la résistance et la flexibilité, et les utilisaient pour fabriquer des pièces de monnaie, des couteaux, des haches et des armes. Cependant, les caractéristiques souhaitables de ces alliages métalliques étaient souvent attribuées à la présence de cuivre ou de fer. En fait, les archéologues ont discerné, à partir d’anciens artefacts métalliques, que le « fer » des premières sociétés utilisatrices de métaux était en réalité un mélange contenant de 5 à 26 % de nickel.

Bien avant que le nickel ne soit isolé, les anciens Chinois ont développé un matériau appelé paitung (également appelé paktong ou tutenag) qui était apprécié pour son éclat argenté et sa résistance. Selon des manuscrits chinois, le paitung était utilisé dès le troisième siècle de notre ère dans les armes, les pièces de monnaie et les œuvres d’art. Le paitung aurait contenu principalement du cuivre et du nickel avec de petites quantités de zinc et d’étain.

En Europe également, le nickel s’est retrouvé dans des alliages à l’insu des forgerons et des fondeurs de l’époque. Les alliages de nickel étaient utilisés pour produire des armures en plaques et en chaînes au Moyen Âge, et l’abondance relative des minerais contenant du nickel en faisait un moyen peu coûteux d’ajouter un bel éclat à la monnaie. Mais ce n’est qu’après la découverte du nickel en 1750 que cet additif métallique commun a été isolé et compris.

L’activité minière dans la région de Saxe en Allemagne a finalement conduit à la découverte du nickel. En 1750, les fondeurs de cuivre de Saxe ont découvert un minerai de cuivre particulier, d’une couleur légèrement plus claire que d’habitude. Une fois traité et raffiné, ce minerai a donné une forme inhabituelle de cuivre, particulièrement brillante et argentée. On a également découvert que cette forme étrange de cuivre avait des propriétés matérielles très différentes. Elle était extrêmement dure et ne pouvait être rendue malléable malgré les tentatives répétées des fondeurs. Le nouveau métal est connu sous le nom de Kupfernickel, ce qui se traduit grossièrement par « le cuivre avec le diable dedans ». La composition de cet alliage était en fait très similaire au paitung de la Chine ancienne.

Le nickel – le mystérieux composant du Kupfernickel qui lui conférait ces propriétés distinctives – fut finalement « découvert » et isolé à partir d’un minéral appelé niccolite par le minéralogiste suédois Baron Axel Frederik Cronstedt en 1751. Le baron, comme les fondeurs saxons, avait d’abord pensé extraire du cuivre de ce minéral, mais sa procédure a donné un métal blanc et résistant. Incapable de comparer le matériau avec tout autre métal connu, le baron a déterminé qu’il avait isolé le composant énigmatique du Kupfernickel et a nommé le nouveau métal « nickel » d’après le diable lui-même, « Old Nick ».

Nickel and Dimed

Les sociétés modernes et anciennes ont utilisé le nickel pour ajouter de l’éclat et réduire le poids des pièces de monnaie et augmenter leur résistance à la corrosion et à l’usure. Mais la pratique de l’ajout de nickel aux alliages de pièces de monnaie est devenue plus courante lorsque les nations ont commencé à se convertir à des systèmes de taux de change flottants dans lesquels la valeur du matériau physique d’une pièce de monnaie ne devait plus correspondre à sa valeur nominale. Alors que le change cessait d’être lié aux normes de l’or et de l’argent, la Suisse est devenue la première des nombreuses nations modernes à utiliser le nickel dans les pièces. La première pièce en nickel pur a été émise par la Suisse en 1881, l’Autriche et la Hongrie ayant toutes deux suivi en 1893.

À la fin des années 1850, les États-Unis ont ajouté du nickel à leurs pièces de un cent et de cinq cents, qui contenaient auparavant principalement du cuivre et du zinc (bronze). Le mot « nickel » est devenu un terme populaire pour la pièce de cinq cents elle-même, malgré le fait que la majorité de la pièce était en cuivre (la pièce de nickel américaine des années 1800 contenait 75 % de cuivre et 25 % de nickel). La pièce était très demandée car elle constituait une dénomination pratique pour de nombreux articles de tous les jours, comme la bière et les cigares. L’arrivée des machines à sous et l’omniprésence des tarifs en nickel dans les bus et les métros ont également contribué à la popularité de cette pièce. On estime qu’en 1958, les États-Unis avaient émis plus de 4 milliards de nickels.

Des météores aux machines

Même un siècle après l’isolement de l’élément nickel, les scientifiques et les ingénieurs n’avaient pas pleinement exploité ses propriétés matérielles uniques. Le nickel est un métal de transition qui forme des alliages avec une foule d’autres métaux de transition comme le cuivre, le zinc, le fer, l’argent, le cadmium et le chrome. Il est à la fois solide – il résiste à la rupture sous forte contrainte – et ductile – il se plie plutôt que de se fissurer sous la contrainte. Il s’agit d’une combinaison précieuse de propriétés. Les ingénieurs recherchent cette combinaison de propriétés lorsqu’ils conçoivent des structures telles que des ponts, qui doivent résister à de lourdes charges mais aussi plier sous la pression plutôt que de se fissurer.

Les récits de ces matériaux miracles ont été transmis à travers l’histoire. Les légendaires lames d’épée de l’ancienne Damas et de l’Arabie étaient largement connues pour leur extrême résistance et leur dureté. Les pierres sacrées, comme la pierre noire de la Kaaba à la Mecque, étaient réputées avoir des propriétés magiques, probablement le magnétisme. Ces armes célèbres et ces reliques sacrées sont composées de fer tombé du ciel dans des météores. Ce fer météorique contient souvent de grandes quantités de nickel. Les anciens fabricants d’armes qui en ont fait leurs lames sont tombés sur un alliage d’acier inoxydable primitif, très solide et résistant à la rouille. Il faudra des siècles avant que la science derrière ces matériaux magiques ne soit expliquée.

Dans les années 1700, alors que la révolution industrielle se lève d’abord en Angleterre, puis en Europe continentale et aux États-Unis, le développement de l’équipement industriel et des moteurs à vapeur en particulier a engendré une recherche de matériaux plus résistants que ceux disponibles actuellement. Les premiers spécialistes des matériaux ont développé des alliages d’acier pour répondre à ce besoin. L’acier est produit lorsque le fer est combiné à de petites quantités de carbone, qui contribue à stabiliser et à renforcer la structure cristalline du fer. L’ajout de petites quantités d’autres éléments comme le zinc, le chrome et le nickel augmente la solidité, la ductilité, la résistance à la corrosion et la finition de l’acier.

C’est un demi-siècle après la découverte du nickel que Michael Faraday – également célèbre pour sa découverte de l’induction électromagnétique et de la loi de Faraday, fondement de la théorie moderne des champs – a proposé pour la première fois d’ajouter du nickel à l’acier pour améliorer ses propriétés matérielles. Dans une lettre adressée au professeur de la Rive de la Royal Institution en 1820, il écrit : « Nous avons été incités par l’idée populaire que le fer météorique ne rouillerait pas, à essayer l’effet du nickel sur l’acier et le fer. » Malgré les échecs initiaux, Faraday a réussi à allier de petites quantités de nickel avec de l’acier, produisant des matériaux plus résistants mais toujours malléables et exploitables comme l’acier ordinaire. Les travaux poursuivis par le métallurgiste suisse J.C. Fischer en 1824 ont abouti à des imitations réussies du fer météorique.

Ces premières découvertes ont jeté les bases d’aciers inoxydables et structurels avancés faits d’alliages présentant une résistance à la corrosion et une solidité accrues. Les blindages en acier fortifié de nickel ont rapidement été utilisés dans les navires de guerre entre le milieu et la fin du XIXe siècle. Les recherches de Michael Faraday sur l’électrochimie de divers métaux – leur capacité à interagir avec les courants électriques – ont accru les utilisations du nickel. Dans les années 1840, les métallurgistes étaient capables de plaquer du nickel sur d’autres surfaces métalliques en utilisant un courant électrique pour attirer les sels de nickel dissous et les ions de nickel à la surface des électrodes métalliques. Ces revêtements offraient une résistance à l’usure et à la rouille pour de nombreux produits allant des ustensiles de cuisine aux appareils de plomberie.

Attiser les flammes de la guerre

Pendant la Première Guerre mondiale, la valeur du nickel a augmenté de façon spectaculaire en raison de la demande nouvelle d’acier inoxydable à haute résistance pour les canons, les munitions et les véhicules. Le nickel était désormais non seulement un composant important de la monnaie, mais aussi une ressource naturelle précieuse recherchée par toutes les factions belligérantes. En 1916, un sous-marin allemand a couru des risques mortels en tentant de percer le blocus britannique afin d’obtenir un petit chargement de nickel canadien. La mission réussie a été célébrée de la même manière qu’une victoire militaire traditionnelle ; telles étaient la valeur et l’importance du nickel pour la machine de guerre allemande. Au plus fort de la production en temps de guerre, le Canada, première source de nickel au monde, produisait environ 92 millions de livres de nickel par an.

L’armistice et plus tard la Grande Dépression ont provoqué un plongeon momentané de l’industrie du nickel entre les deux guerres mondiales. La production d’équipements militaires a diminué de façon spectaculaire, le monde industriel ayant recentré ses efforts sur les biens de consommation. Les progrès réalisés dans le domaine des moteurs à combustion au cours des années 1930 ont toutefois contribué à maintenir une forte demande pour certains aciers au nickel recherchés pour leur capacité à résister aux défaillances à haute température. Cette propriété était cruciale dans des pièces telles que les culasses et les pistons qui subissent des pressions explosives à des températures très élevées.

Le début de la Seconde Guerre mondiale a augmenté une nouvelle fois la demande d’acier et de nickel. Pendant le conflit, la production d’alliages de nickel a égalé le total de la production des 54 années précédentes. Le Canada, conjointement avec le gouvernement britannique, a essentiellement réglementé le marché mondial du nickel pendant la Seconde Guerre mondiale et a même imposé des restrictions sur son utilisation dans les biens de consommation non essentiels. Cela a fortement limité la quantité de nickel disponible pour les puissances de l’Axe, et les gisements de minerai de nickel sont rapidement devenus une préoccupation stratégique pour les Allemands. Des opérations militaires ont été lancées pour mettre les stocks de nickel sous contrôle allemand. La mine de nickel de Petsamo en Finlande, précédemment immobilisée par l’invasion de l’armée soviétique, fut capturée par les Allemands en 1940 et devint une source majeure de nickel renforçant l’acier pour la guerre allemande.

Avions, moteurs à réaction et au-delà

De nouvelles prouesses en matière de vitesse et de puissance sont venues du développement des premiers moteurs à réaction pendant la Seconde Guerre mondiale et jusque dans les années 1950. Ces nouveaux moteurs créaient des jets de gaz à haute pression en utilisant des turbines tournant rapidement pour comprimer l’air et l’éjecter par des tuyères d’échappement. Les turbines à rotation rapide atteignaient des températures et des contraintes élevées et nécessitaient à nouveau de nouveaux alliages métalliques pour résister à ces forces. Le nickel était utilisé comme agent de renforcement dans nombre de ces alliages. Des besoins similaires de résistance aux contraintes et aux températures ont conduit à l’utilisation d’alliages contenant du nickel dans la course à l’espace en plein essor. Les moteurs de fusée ont des exigences techniques similaires à celles des moteurs à réaction en raison de la température et de la pression élevées des gaz d’échappement, et ils doivent également supporter des vibrations extrêmes causées par la combustion des carburants de fusée. Les débuts de l’industrie spatiale ont utilisé le nickel en conjonction avec d’autres matériaux à haute résistance comme le titane pour créer de nouvelles classes de superalliages capables de résister aux turbulences des vols spatiaux.

Nickel Today

Des études récentes ont montré que le traitement et le raffinage du nickel peuvent avoir des conséquences néfastes sur la santé. Les recherches menées dans les années 1960 ont montré les premières indications que les composés du nickel, comme le nickel carbonyle, pouvaient provoquer des tumeurs pulmonaires chez les rats de laboratoire. Des études ultérieures menées dans les années 1980 par l’Agence américaine pour la protection de l’environnement (EPA) ont démontré qu’une exposition prolongée à des niveaux élevés de poussière de raffinerie de nickel, de nickel carbonyle ou de subsulfure de nickel – tous des sous-produits directs du raffinage du nickel et du traitement des métaux – pouvait causer le cancer. L’inhalation de fumées contenant du nickel provenant du soudage de l’acier inoxydable a également été associée à un risque accru de cancer. Cela a conduit à des réglementations fédérales limitant la quantité de certains composés de nickel acceptables sur le lieu de travail et dans l’environnement.

S’il est inhalé sous certaines formes à des concentrations élevées pendant une période suffisamment longue, le nickel est en effet cancérigène pour l’homme. Les pratiques modernes d’hygiène industrielle ont permis d’endiguer ces complications sanitaires induites par le nickel.

L’effet sanitaire le plus courant, et de loin, de l’exposition au nickel est une réaction allergique. Certaines personnes sont génétiquement prédisposées à être sensibilisées au nickel si elles manipulent directement ce métal assez souvent. Une fois sensibilisées, une dermatite – une réaction allergique de la peau – peut se produire à l’endroit du contact, provoquant des éruptions cutanées et, dans des cas extrêmes, des crises d’asthme. On estime que 5 à 10 % de la population est susceptible d’être allergique au nickel.

Bien que le nickel soit principalement utilisé dans l’industrie sidérurgique pour renforcer et ajouter une résistance à la corrosion aux aciers de haute qualité, il a trouvé sa place dans une foule d’objets de tous les jours. Les objets domestiques contenant du nickel comprennent les robinets, les ustensiles de cuisine, les appareils électroménagers, les piles rechargeables (variété nickel-cadmium ou Ni-Cad), les bijoux et bien sûr les pièces de monnaie. Comme les anciens, la plupart d’entre nous utilisent probablement des produits en nickel sans même le savoir.

Les sources comprennent :

-Agence pour les substances toxiques et le registre des maladies (ATSDR). 1997. Profil toxicologique du nickel. Atlanta, GA : U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.

-Aitchison, Leslie. Une histoire des métaux. Londres : MacDonald and Evans Ltd, 1960.

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-Howard-White, F. B. Nickel : an Historical Review. New York : D. Van Nostrand Company, Inc, 1963.

-John Harte, Holdren, Schneider et Shirley. Toxiques de A à Z : un guide des dangers de la pollution quotidienne. Berkley, CA : University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology : la science fondamentale des poisons. New York : McGraw-Hill, 2001.

-Nriagu, Jerome O. Nickel in the Environment. New York : Wiley, 1980.

-Winter, Mark. Nickel : Informations clés. 2002. L’Université de Sheffield. 4 septembre 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern

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