Les nanofeuilles sont des matériaux bidimensionnels finement structurés et ont un grand potentiel d’innovation. Ils sont fixés les uns sur les autres dans des cristaux en couches, et doivent d’abord être séparés les uns des autres afin qu’ils puissent être utilisés, par exemple, pour filtrer des mélanges de gaz ou pour des barrières aux gaz efficaces. Une équipe de recherche de l’Université de Bayreuth vient de mettre au point un procédé doux et respectueux de l’environnement pour ce processus difficile de délaminage, qui peut même être utilisé à l’échelle industrielle. C’est la première fois qu’un cristal du groupe technologiquement attrayant des zéolithes est rendu utilisable pour un large champ d’applications potentielles.
Le procédé de délaminage développé à Bayreuth sous la direction du Prof. Dr. Josef Breu se caractérise par le fait que les structures des nanofeuilles isolées les unes des autres restent intactes. Il a également l’avantage de pouvoir être utilisé à température ambiante normale. Les chercheurs présentent leurs résultats en détail dans Avancées scientifiques.
Les nanofeuilles bidimensionnelles, qui reposent les unes sur les autres dans des cristaux en couches, sont maintenues ensemble par des forces électrostatiques. Pour qu’ils soient utilisés pour des applications technologiques, les forces électrostatiques doivent être surmontées et les nanofeuillets détachés les uns des autres. Une méthode particulièrement adaptée à cela est le gonflement osmotique, dans lequel les nanofeuilles sont séparées par l’eau et les molécules et ions qui y sont dissous. Jusqu’à présent, cependant, il n’a été possible de l’appliquer qu’à quelques types de cristaux, y compris certains minéraux argileux, titanates et niobates. Pour le groupe des zéolites, cependant, dont les nanofeuillets sont très intéressants pour la production de membranes fonctionnelles en raison de leurs structures fines contenant du silicate, le mécanisme de gonflement osmotique n’a pas encore été applicable.
L’équipe de recherche de Bayreuth a maintenant, pour la première fois dans le cadre d’une collaboration interdisciplinaire, trouvé un moyen d’utiliser le gonflement osmotique pour la séparation en douceur des cristaux d’ilérite, qui appartiennent au groupe des zéolithes. Dans le processus, de grosses molécules de sucre sont d’abord insérées dans les espaces étroits entre les nanofeuilles. Ensuite, les nanofeuilles, qui sont empilées les unes sur les autres et structurellement alignées, sont séparées par de l’eau. Dans le processus, leur espacement devient considérablement plus grand. Désormais, les nanofeuilles peuvent être écartées horizontalement dans différentes directions : lors du séchage ultérieur, une surface solide est créée, composée de nombreuses nanofeuilles. Ceux-ci sont empilés comme des cartes à jouer, ne se chevauchant que sur les bords et ne laissant que quelques espaces. Le diamètre des nanofeuilles individuelles est environ 9 000 fois supérieur à leur épaisseur.
Cela ouvre maintenant la possibilité de fixer un plus grand nombre de ces surfaces les unes sur les autres et de construire de nouveaux matériaux en couches. L’intérêt de ce processus est que les nanostructures des surfaces du nouveau matériau sont décalées les unes des autres. Par conséquent, leurs espaces ne sont pas exactement superposés, de sorte que les molécules, les ions ou même les signaux lumineux ne peuvent pas pénétrer directement dans le nouveau matériau. Cette structure globale labyrinthique permet une large gamme d’applications potentielles, comme dans les emballages utilisés pour conserver la fraîcheur des aliments, dans les composants pour l’optoélectronique et peut-être même dans les batteries.
Patrick Loch et al, Suspension nématique d’un silicate en couches microporeux obtenu par délaminage spontané sans force via un gonflement osmotique répulsif pour la coulée de films tout inorganiques à haute barrière, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn9084