Grâce à la microscopie à effet tunnel, des chercheurs de l'université Drexel et de l'UCLA ont pu observer pour la première fois à l'échelle atomique la surface des matériaux MXene 2D. Les résultats obtenus permettront d'adapter ces matériaux uniques à des applications spécifiques. Crédit : Université Drexel
Des chercheurs de Drexel et de l'UCLA effectuent la première analyse par microscopie à effet tunnel et spectroscopie d'un matériau 2D unique.
Des techniques d’imagerie avancées ont révélé la chimie de surface complexe des MXenes, un matériau prometteur pour les applications énergétiques et de télécommunications, conduisant potentiellement à des fonctionnalités personnalisées pour des utilisations spécifiques.
Au cours de la décennie qui a suivi leur découverte à l'Université Drexel, les matériaux bidimensionnels de la famille MXene ont démontré un potentiel important pour des applications allant du dessalement de l'eau et du stockage d'énergie au blindage électromagnétique et aux télécommunications, entre autres. Alors que les chercheurs ont largement spéculé sur les origines de leur polyvalence, une étude récente menée par l'Université Drexel et l'Université de Californie à Los Angeles a offert le premier aperçu clair de la structure chimique de surface qui sous-tend les capacités des MXene.
À l’aide de techniques d’imagerie avancées, appelées microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie à effet tunnel (STS), l’équipe, qui comprend également des chercheurs de l’Université d’État de Californie à Northridge et du Lawrence Berkeley National Laboratory, a cartographié la topographie de surface électrochimique du carbure de titane MXene, le membre le plus étudié et le plus utilisé de la famille. Leurs résultats, publiés dans le numéro du 5e anniversaire de la revue Cell Press Matièreaidera à expliquer la gamme de propriétés présentées par les membres de la famille MXene et permettra aux chercheurs d'adapter de nouveaux matériaux à des applications spécifiques.
Importance de la chimie de surface
« Une grande partie du potentiel des MXenes provient de leur riche chimie de surface », a déclaré Yury Gogotsi, PhD, professeur émérite de l'université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, l'un des principaux auteurs de la recherche, dont le groupe de recherche a participé à la découverte des matériaux en 2011. « Obtenir le premier aperçu à l'échelle atomique de leur surface, en utilisant la microscopie à effet tunnel, est un développement passionnant qui ouvrira de nouvelles possibilités pour contrôler la surface des matériaux et permettre des applications des MXenes dans les technologies avancées. »
Bien que les MXenes soient des matériaux bidimensionnels, l'interaction qui est à la base de leurs propriétés chimiques, électrochimiques et catalytiques — qu'il s'agisse du stockage ultrarapide de l'énergie électrique, de la séparation de l'eau pour produire de l'hydrogène ou de l'extraction de l'urée du sang — est initiée par les atomes qui forment leur couche superficielle.
Des recherches antérieures ont permis d'obtenir un aperçu à faible résolution de la structure chimique des surfaces MXene, en utilisant des technologies telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS) et la spectroscopie Raman à pointe améliorée (TERS). Ces outils offrent des lectures indirectes de la composition du matériau, mais fournissent peu d'informations sur les subtilités de son organisation de surface.
La microscopie à effet tunnel et la spectroscopie à effet tunnel, en revanche, fournissent des informations plus directes sur la forme et la composition de la structure de surface d'un matériau, ainsi que sur sa chimie de surface et ses propriétés.
Analyse détaillée de la surface
Ces outils utilisent une sonde extrêmement pointue, suffisamment sensible pour distinguer une atome Les analyses spectroscopiques permettent de détecter les atomes d'un matériau à l'autre, en parcourant une surface plane. La pointe de la sonde porte une charge électrique qui lui permet d'interagir avec chaque atome qui passe à proximité. Cette interaction, appelée effet tunnel quantique, fournit des informations sur les atomes à la surface du matériau. Les analyses spectroscopiques fournissent des informations sur la composition de la surface aux niveaux atomique et moléculaire. Les analyses sont converties en images, formant des cartes topographiques de la surface du matériau.
« Grâce à la technologie STM/STS, nous pouvons observer les arrangements atomiques à la surface des MXènes et même étudier leur conductance avec une résolution atomique », a déclaré Gogotsi. « C'est la clé pour comprendre pourquoi les MXènes ont des propriétés extrêmes et surpassent les autres matériaux dans de nombreuses applications. Cela devrait également nous aider à explorer les propriétés quantiques des MXènes et à identifier de nouvelles opportunités pour cette famille de matériaux en pleine expansion. »
Selon les chercheurs, localiser des groupes d’atomes — appelés groupes fonctionnels —, les identifier et mesurer leurs propriétés à la surface, compte tenu de leur emplacement et de leur fixation spécifiques, sont autant de développements importants pour comprendre comment les MXènes interagissent avec d’autres produits chimiques et matériaux.
« Les surfaces MXene sont chimiquement hétérogènes. C'est à la fois ce qui les rend intéressantes et ce qui les rend difficiles à étudier », a déclaré Paul Weiss, PhD, professeur distingué et président de la chaire présidentielle de l'UC UCLA qui a dirigé les recherches avec Gogotsi. « Nous pensons que c’est également la clé de leurs propriétés étonnantes. Cependant, nous ne savons pas encore quelles fonctionnalités chimiques sont importantes pour quelles applications. »
L'imagerie STM/STS du groupe a montré des caractéristiques de 10 nanomètres sur la surface du MXene, probablement des amas d'oxyde de titane, et des protubérances plus petites, disposées selon une symétrie hexagonale déformée, qu'ils ont considérées comme des groupes fonctionnels, qu'ils ont ensuite identifiés chimiquement.
Les résultats de cette recherche sont cohérents avec les théories précédentes, la microscopie à faible résolution et les données spectrales sur la surface des MXènes en carbure de titane, y compris la prédiction selon laquelle leur surface est métallique. Cependant, examiner de plus près les défauts de surface et la nature de son hétérogénéité est une étape importante pour comprendre comment ils affectent le comportement du matériau, selon l'équipe.
« Dans ce travail, nous avons commencé à tirer sur les fils. Nous avons pu obtenir des images et commencer à attribuer certaines fonctionnalités chimiques », a déclaré Weiss. « L’un des aspects inconnus les plus intéressants des MXènes est le rôle que jouent leurs défauts et leur hétérogénéité dans leur fonction et leur stabilité environnementale. Nous avons maintenant un pied dans la porte pour explorer ces rôles. »
S'appuyant sur l'expertise collective des scientifiques des matériaux de Drexel, des groupes STM de l'UCLA et du Lawrence Berkley National Laboratory, et des scientifiques théoriques de Cal State Northridge, le groupe poursuivra son analyse rigoureuse des matériaux tout en élaborant un processus de modulation de leur composition chimique pour ajuster leur fonctionnalité pour différentes utilisations.
L’étude a été financée par le ministère américain de l’Énergie.
