Nano coupé-cousu : une nouvelle méthode de personnalisation chimique des nanomatériaux en couches pourrait ouvrir la voie à la conception de matériaux 2D à la demande


Un nouveau processus qui permet aux scientifiques de découper chimiquement et d’assembler des couches nanoscopiques de matériaux bidimensionnels – comme un tailleur modifiant un costume – pourrait être l’outil idéal pour concevoir la technologie d’un avenir énergétique durable. Des chercheurs de l’Université Drexel, en Chine et en Suède, ont développé une méthode de division structurelle, d’édition et de reconstitution de matériaux en couches, appelée phases MAX et MXenes, avec le potentiel de produire de nouveaux matériaux avec des compositions très inhabituelles et des propriétés exceptionnelles.

Un « ciseau chimique » est un produit chimique conçu pour réagir avec un composé spécifique pour rompre une liaison chimique. L’ensemble original de ciseaux chimiques, conçu pour rompre les liaisons carbone-hydrogène dans les molécules organiques, a été signalé il y a plus de dix ans. Dans un article récemment publié dans Sciencel’équipe internationale a présenté une méthode pour aiguiser les ciseaux afin qu’ils puissent couper à travers des nanomatériaux en couches extrêmement solides et stables d’une manière qui rompt les liaisons atomiques dans un seul plan atomique, puis substitue de nouveaux éléments – modifiant fondamentalement la composition du matériau dans un « coupure » chimique unique.

« Cette recherche ouvre une nouvelle ère de la science des matériaux, permettant l’ingénierie atomistique des matériaux bidimensionnels et en couches », a déclaré Yury Gogotsi, PhD, professeur universitaire émérite et titulaire de la chaire Bach du Drexel’s College of Engineering, qui était l’un des auteurs de la recherche. « Nous montrons un moyen d’assembler et de désassembler ces matériaux comme des blocs LEGO, ce qui conduira au développement de nouveaux matériaux passionnants dont l’existence n’a même pas été prévue jusqu’à présent. »

Gogotsi et ses collaborateurs de Drexel ont étudié les propriétés d’une famille de nanomatériaux en couches appelés MXenes, qu’ils ont découverts en 2011. Les MXenes commencent comme un matériau précurseur appelé phase MAX ; « MAX » est un mot-valise chimique signifiant les trois couches du matériau : M, A et X. L’application d’un acide fort à la phase MAX attaque chimiquement la couche A, créant un matériau à couches plus poreuses – avec un A-moins surnom : MXene.

La découverte fait suite à l’enthousiasme mondial suscité par un nanomatériau bidimensionnel appelé graphène, considéré comme le matériau le plus solide existant lorsque l’équipe de chercheurs qui l’a découvert a remporté le prix Nobel en 2010. La découverte du graphène a élargi la recherche d’autres matériaux atomiquement minces. des matériaux aux propriétés extraordinaires – comme les MXenes.

L’équipe de Drexel a assidument exploré les propriétés des matériaux MXene, menant à des découvertes sur sa conductivité électrique exceptionnelle, sa durabilité et sa capacité à attirer et filtrer les composés chimiques, entre autres. Mais à certains égards, le potentiel des MXenes a été limité depuis leur création par la façon dont ils sont produits et l’ensemble limité de phases MAX et d’agents de gravure qui peuvent être utilisés pour les créer.

« Auparavant, nous ne pouvions produire de nouveaux MXènes qu’en ajustant la chimie de la phase MAX ou l’acide utilisé pour la graver », a déclaré Gogotsi. « Bien que cela nous ait permis de créer des dizaines de MXenes et de prédire que plusieurs dizaines d’autres pourraient être créés, le processus n’a pas permis beaucoup de contrôle ou de précision. »

En revanche, le processus que l’équipe – dirigée par Gogotsi et Qing Huang, PhD, professeur à l’Académie chinoise des sciences – a rapporté dans son Science l’article explique que « l’édition structurelle par ciseaux chimiques des carbures de métaux de transition en couches, » ressemble plus à une intervention chirurgicale, selon Gogotsi.

La première étape consiste à utiliser un protocole de gravure au sel fondu acide de Lewis (LAMS) qui supprime la couche A, comme d’habitude, mais est également capable de la remplacer par un autre élément, tel que le chlore. Ceci est important car il met le matériau dans un état chimique tel que ses couches peuvent être découpées en tranches à l’aide d’un deuxième jeu de ciseaux chimiques, composé d’un métal, tel que le zinc. Ces couches sont les matières premières des phases MAX, ce qui signifie que l’ajout d’un peu de « mortier » chimique — un processus appelé intercalation — permet à l’équipe de construire ses propres phases MAX, qui peuvent ensuite être utilisées pour créer de nouveaux MXenes, adaptés pour améliorer des propriétés spécifiques.

« Ce processus revient à faire une coupe chirurgicale de la structure MAX, à décoller les couches puis à la reconstruire avec des couches métalliques nouvelles et différentes », a déclaré Gogotsi. « En plus de pouvoir produire des chimies nouvelles et inhabituelles, ce qui est fondamentalement intéressant, nous pouvons également créer des phases MAX nouvelles et différentes et les utiliser pour produire des MXènes adaptés pour optimiser diverses propriétés. »

En plus de construire de nouvelles phases MAX, l’équipe a également signalé l’utilisation de la méthode pour créer des MXènes capables d’héberger de nouveaux « atomes invités » qu’elle n’aurait pas été chimiquement capables d’accueillir auparavant, élargissant encore la famille des matériaux MXene.

« Nous nous attendons à ce que ce travail conduise à une expansion majeure de l’espace déjà très vaste de matériaux en couches et bidimensionnels », a déclaré Gogotsi. « De nouveaux MXènes qui ne pourraient pas être produits à partir de précurseurs MAX conventionnels deviennent possibles. Bien sûr, de nouveaux matériaux avec une structure et des propriétés inhabituelles devraient permettre de nouvelles technologies. »

La prochaine étape de cette recherche, selon Gogotsi, est la délamination des carbures en couches bidimensionnels et tridimensionnels, ainsi que des carbures bidimensionnels intercalés de métal, en nanofeuilles à une ou quelques couches. Cela permettra aux chercheurs de caractériser leurs propriétés fondamentales pour optimiser les nouveaux matériaux à utiliser dans le stockage de l’énergie, l’électronique et d’autres applications.

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