Le secret d’un croissant parfait réside dans les couches – autant que possible, chacune entrecoupée de beurre. De même, un nouveau matériau prometteur pour de nouvelles applications est composé de nombreuses couches de métal extrêmement fines, entre lesquelles les scientifiques peuvent glisser différents ions à des fins diverses. Cela les rend potentiellement très utiles pour la future électronique de haute technologie ou le stockage d’énergie.
Jusqu’à récemment, ces matériaux – connus sous le nom de MXenes, prononcés « max-eens » – demandaient autant de main-d’œuvre que de bons croissants fabriqués dans une boulangerie française.
Mais une nouvelle percée réalisée par des scientifiques de l’Université de Chicago montre comment fabriquer ces MXènes beaucoup plus rapidement et facilement, avec moins de sous-produits toxiques.
Les chercheurs espèrent que la découverte, publiée le 23 mars dans Sciencestimulera de nouvelles innovations et ouvrira la voie à l’utilisation des MXenes dans l’électronique et les appareils de tous les jours.
Économie atomique
Lorsqu’ils ont été découverts en 2011, les MXenes ont suscité l’enthousiasme de nombreux scientifiques. Habituellement, lorsque vous rasez un métal comme l’or ou le titane pour créer des feuilles minces, il cesse de se comporter comme un métal. Mais des liaisons chimiques exceptionnellement fortes dans les MXènes leur permettent de conserver les capacités spéciales du métal, comme la conduction électrique forte.
Ils sont également facilement personnalisables : « Vous pouvez placer des ions entre les couches pour les utiliser pour stocker de l’énergie, par exemple », a déclaré l’étudiant diplômé en chimie Di Wang, co-premier auteur de l’article avec le chercheur postdoctoral Chenkun Zhou.
Tous ces avantages pourraient rendre les MXenes extrêmement utiles pour la construction de nouveaux appareils, par exemple pour stocker de l’électricité ou pour bloquer les interférences des ondes électromagnétiques.
Cependant, la seule façon que nous connaissions de fabriquer des MXenes impliquait plusieurs étapes de génie chimique intensives, notamment le chauffage du mélange à 3 000 ° F suivi d’un bain dans de l’acide fluorhydrique.
« C’est bien si vous faites quelques grammes pour des expériences en laboratoire, mais si vous vouliez en faire de grandes quantités à utiliser dans des produits commerciaux, cela deviendrait un problème majeur d’élimination des déchets corrosifs », a expliqué Dmitri Talapin, Ernest DeWitt. Burton Distinguished Service Professor of Chemistry à l’Université de Chicago, co-nommé au Argonne National Laboratory et auteur correspondant de l’article.
Pour concevoir une méthode plus efficace et moins toxique, l’équipe a utilisé les principes de la chimie, en particulier « l’économie d’atomes », qui cherche à minimiser le nombre d’atomes perdus lors d’une réaction.
L’équipe d’UChicago a découvert de nouvelles réactions chimiques qui permettent aux scientifiques de fabriquer des MXènes à partir de précurseurs simples et peu coûteux, sans utiliser d’acide fluorhydrique. Il consiste en une seule étape : mélanger plusieurs produits chimiques avec le métal dont vous souhaitez créer des couches, puis chauffer le mélange à 1 700 °F. « Ensuite, vous l’ouvrez et ils sont là », a déclaré Wang.
La méthode plus simple et moins toxique ouvre de nouvelles voies aux scientifiques pour créer et explorer de nouvelles variétés de MXènes pour différentes applications, telles que différents alliages métalliques ou différents arômes ioniques. L’équipe a testé la méthode avec des métaux de titane et de zirconium, mais ils pensent que la technique peut également être utilisée pour de nombreuses autres combinaisons différentes.
« Ces nouveaux MXenes sont également visuellement beaux », a ajouté Wang. « Ils se dressent comme des fleurs, ce qui peut même les rendre meilleurs pour les réactions, car les bords sont exposés et accessibles pour que les ions et les molécules se déplacent entre les couches métalliques. »
L’étudiant diplômé Wooje Cho était également co-auteur de l’article. L’exploration a été rendue possible grâce à l’aide de collègues d’UChicago de tous les départements, notamment le chimiste théorique Suri Vaikuntanathan, le directeur du centre de recherche en rayons X Alexander Filatov et les électrochimistes Chong Liu et Mingzhan Wang de la Pritzker School of Molecular Engineering. La microscopie électronique a été réalisée par Robert Klie et Francisco Lagunas avec l’Université de l’Illinois à Chicago.
Plus d’information:
Di Wang et al, Synthèse directe et dépôt chimique en phase vapeur de 2D carbure et nitrure MXènes, Science (2023). DOI : 10.1126/science.add9204
Daniel D. Robertson et al, Une route directe et propre vers MXenes, Science (2023). DOI : 10.1126/science.ade9914