Des chercheurs de l'Université de Linköping en Suède ont développé une nouvelle méthode qui pourrait conduire à la synthèse de centaines de nouveaux matériaux 2D, épais de seulement quelques atomes et présentant des propriétés uniques utiles dans diverses applications telles que le stockage d'énergie et la purification de l'eau. Cette avancée, basée sur un modèle théorique validé en laboratoire, a élargi le potentiel de création de matériaux 2D au-delà de la famille connue des MXenes, ouvrant la voie à diverses applications technologiques.
Les matériaux incroyablement fins, épais de seulement quelques atomes, présentent des propriétés uniques qui les rendent attrayants pour le stockage d’énergie, la catalyse et la purification de l’eau. Des chercheurs de l’Université de Linköping, en Suède, ont développé une méthode permettant la synthèse de centaines de nouveaux matériaux 2D. Leur étude a été publiée dans la revue Science.
Depuis la découverte de graphène, le domaine de recherche sur les matériaux extrêmement fins, appelés matériaux 2D, a connu une croissance exponentielle. La raison en est que les matériaux 2D ont une grande surface par rapport à leur volume ou à leur poids. Cela donne lieu à une gamme de phénomènes physiques et de propriétés distinctives, telles qu’une bonne conductivité, une résistance mécanique élevée ou une résistance à la chaleur, qui rendent les matériaux 2D intéressants tant pour la recherche fondamentale que pour leurs applications.
Jonas Björk, professeur associé à l'université de Linköping. Crédit : Thor Balkhed
« Dans un film d'à peine un millimètre d'épaisseur, il peut y avoir des millions de couches de matériau. Entre les couches, il peut y avoir de nombreuses réactions chimiques et grâce à cela, les matériaux 2D peuvent être utilisés pour le stockage d'énergie ou pour générer des carburants, par exemple », explique Johanna Rosén, professeur de physique des matériaux à l'université de Linköping.
La famille MXenes et les nouveaux modèles théoriques
La plus grande famille de matériaux 2D s'appelle les MXenes. Les MXènes sont créés à partir d'un matériau parent tridimensionnel appelé phase MAX. Il se compose de trois éléments différents : M est un métal de transition, A est un élément (du groupe A) et X est du carbone ou de l'azote. En éliminant l'élément A avec des acides (exfoliation), un matériau bidimensionnel est créé. Jusqu'à présent, les MXenes étaient la seule famille de matériaux créée de cette manière.
Les chercheurs de Linköping ont introduit une méthode théorique pour prédire d’autres matériaux tridimensionnels susceptibles d’être convertis en matériaux 2D. Ils ont également prouvé que le modèle théorique est cohérent avec la réalité.
Jie Zhou, professeur adjoint à l'Université de Linköping. Crédit : Olov Planthaber
Pour réussir, les chercheurs ont utilisé un processus en trois étapes. Dans un premier temps, ils ont développé un modèle théorique pour prédire quels matériaux parents seraient adaptés. Grâce à des calculs à grande échelle effectués au National Supercomputer Centre, les chercheurs ont pu identifier 119 matériaux 3D prometteurs à partir d'une base de données et d'une sélection composée de 66 643 matériaux.
L’étape suivante consistait à essayer de créer le matériau en laboratoire.
« Parmi 119 matériaux possibles, nous avons étudié lesquels possédaient la stabilité chimique requise et quels matériaux étaient les meilleurs candidats. Tout d’abord, nous avons dû synthétiser le matériau 3D, ce qui était un défi en soi. Enfin, nous disposions d'un échantillon de haute qualité sur lequel nous pouvions exfolier et graver des substances spécifiques. atome couches utilisant du fluor hydrolique acide», déclare Jie Zhou, professeur adjoint au Département de physique, chimie et biologie.
Les chercheurs ont retiré l'yttrium (Y) du matériau parent YRu2Si2qui a abouti à la formation de Ru bidimensionnel2SiXÔoui.
Jie Zhou, professeur adjoint à l'Université de Linköping. Crédit : Olov Planthaber
Implications et applications futures
Mais pour confirmer le succès en laboratoire, une vérification est nécessaire – la troisième étape. Les chercheurs ont utilisé le microscope électronique à transmission et à balayage Arwen de l'Université de Linköping. Il peut examiner les matériaux et leurs structures au niveau atomique. Dans Arwen, il est également possible d’étudier de quels atomes un matériau est constitué par spectroscopie.
« Nous avons pu confirmer que notre modèle théorique fonctionnait bien et que le matériau résultant était constitué des bons atomes. Après exfoliation, les images du matériau ressemblaient aux pages d’un livre. Il est étonnant que cette théorie puisse être mise en pratique, élargissant ainsi le concept d'exfoliation chimique à davantage de familles de matériaux que les MXènes », déclare Jonas Björk, professeur associé à la division de conception des matériaux.
La découverte des chercheurs signifie que de nombreux autres matériaux 2D dotés de propriétés uniques sont à notre portée. Celles-ci peuvent à leur tour jeter les bases d’une multitude d’applications technologiques. La prochaine étape pour les chercheurs consiste à explorer davantage de matériaux précurseurs potentiels et à intensifier les expériences. Johanna Rosén estime que les applications futures sont presque infinies.
« En général, les matériaux 2D ont montré un grand potentiel pour un très grand nombre d’applications. Vous pouvez imaginer capter le dioxyde de carbone ou purifier l’eau, par exemple. Il s'agit désormais d'intensifier la synthèse et de la réaliser de manière durable », explique Johanna Rosén.
Financement : Knut et Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, Göran Gustafssons Stiftelse för Naturvetenskaplig och Medicinsk Forskning, Stiftelsen för Strategisk Forskning, Union européenne, Vetenskapsrådet, le domaine de recherche stratégique du gouvernement suédois en science des matériaux sur les matériaux fonctionnels avancés, AFM, à l'Université de Linköping
