Matériaux 2D auto-assemblés à une interface liquide-liquide

Les dernières décennies ont vu une grande quantité de recherches dans le domaine des matériaux bidimensionnels (2D). Comme leur nom l’indique, ces matériaux minces ressemblant à des films sont composés de couches de seulement quelques atomes d’épaisseur. De nombreuses propriétés chimiques et physiques des matériaux 2D peuvent être affinées, ce qui conduit à des applications prometteuses dans de nombreux domaines, notamment l’optoélectronique, la catalyse, les énergies renouvelables, etc.

Les nanofeuillets de coordination sont un type de matériau 2D particulièrement intéressant. La « coordination » fait référence à l’effet des ions métalliques dans ces molécules, qui agissent comme des centres de coordination. Ces centres peuvent créer spontanément des dispositions moléculaires organisées qui s’étendent sur plusieurs couches dans des matériaux 2D. Cela a attiré l’attention des scientifiques des matériaux en raison de leurs propriétés favorables. En fait, nous n’avons fait que commencer à gratter la surface de ce que les nanofeuilles de coordination d’hétérocouches – des nanofeuilles de coordination dont les couches ont une composition atomique différente – peuvent offrir.

Dans une étude récente publiée pour la première fois le 13 juin 2022 et présentée sur la couverture de Chimie—Une revue européenne, une équipe de scientifiques de l’Université des sciences de Tokyo (TUS) et de l’Université de Tokyo au Japon a rapporté un moyen remarquablement simple de synthétiser des nanofeuilles de coordination hétérocouche. Composés du ligand organique, la terpyridine, du fer coordinant et du cobalt, ces nanofeuillets s’assemblent à l’interface entre deux liquides non miscibles d’une manière particulière. L’étude, dirigée par le professeur Hiroshi Nishihara de TUS, comprenait également des contributions de M. Joe Komeda, du Dr Kenji Takada, du Dr Hiroaki Maeda et du Dr Naoya Fukui de TUS.

Pour synthétiser les nanofeuillets de coordination hétérocouche, l’équipe a d’abord créé l’interface liquide-liquide pour permettre leur assemblage. Ils ont dissous le ligand tris(terpyridine) dans du dichlorométhane (CH2Cl2), un liquide organique qui ne se mélange pas à l’eau. Ils ont ensuite versé une solution d’eau et de tétrafluoroborate ferreux, un produit chimique contenant du fer, sur le CH2Cl2. Après 24 heures, la première couche du nanofeuillet de coordination, bis(terpyridine)fer (ou « Fe-tpy »), s’est formée à l’interface entre les deux liquides.

Après cela, ils ont retiré l’eau contenant du fer et l’ont remplacée par de l’eau contenant du cobalt. Dans les jours suivants, une couche de bis (terpyridine) cobalt (ou « Co-tpy ») s’est formée juste en dessous de celle contenant du fer à l’interface liquide-liquide.

L’équipe a effectué des observations détaillées de l’hétérocouche à l’aide de diverses techniques avancées, telles que la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie photoélectronique à rayons X, la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à transmission à balayage. Ils ont découvert que la couche Co-tpy se formait parfaitement sous la couche Fe-tpy à l’interface liquide-liquide. De plus, ils pouvaient contrôler l’épaisseur de la deuxième couche en fonction du temps qu’ils laissaient le processus de synthèse suivre son cours.

Fait intéressant, l’équipe a également découvert que l’ordre des couches pouvait être permuté en modifiant simplement l’ordre des étapes de synthèse. En d’autres termes, s’ils ajoutaient d’abord une solution contenant du cobalt, puis la remplaçaient par une solution contenant du fer, l’hétérocouche synthétisée aurait des centres de coordination du cobalt sur la couche supérieure et des centres de coordination du fer sur la couche inférieure. « Nos résultats indiquent que les ions métalliques peuvent traverser la première couche de la phase aqueuse à la phase CH2Cl2 pour réagir avec les ligands terpyridines juste à la frontière entre la nanofeuille et la phase CH2Cl2 », explique le professeur Nishihara. « Il s’agit de la toute première clarification de la direction de croissance des nanofeuilles de coordination à une interface liquide/liquide. »

De plus, l’équipe a étudié les propriétés de réduction-oxydation de leurs nanofeuilles de coordination ainsi que leurs caractéristiques de rectification électrique. Ils ont découvert que les hétérocouches se comportaient un peu comme une diode d’une manière cohérente avec les niveaux d’énergie électronique de Co-tpy et Fe-tpy. Ces informations, associées à la procédure de synthèse simple développée par l’équipe, pourraient aider à la conception de nanofeuilles hétérocouches constituées d’autres matériaux et adaptées à des applications électroniques spécifiques. « Notre méthode de synthèse pourrait être applicable à d’autres polymères de coordination synthétisés aux interfaces liquide-liquide », souligne le professeur Nishihara. « Par conséquent, les résultats de cette étude élargiront la diversité structurelle et fonctionnelle des matériaux moléculaires 2D. »

Les yeux tournés vers l’avenir, l’équipe continuera d’étudier les phénomènes chimiques se produisant aux interfaces liquide-liquide, en élucidant les mécanismes de transport de masse et les réactions chimiques. Leurs découvertes peuvent aider à élargir la conception de matériaux 2D et, espérons-le, à améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques, tels que les cellules solaires.