Des chercheurs de l’Université de Nagoya au Japon ont relevé un défi important lié à la technologie des nanofeuilles. Leur approche innovante utilise des tensioactifs pour produire des nanofeuilles amorphes à partir de divers matériaux, notamment des oxydes métalliques amorphes ultra-minces difficiles à synthétiser, tels que l’aluminium et le rhodium. Cette percée, publié dans Communications naturellesouvre la voie à de futures avancées dans l’application de ces nanofeuilles telles que celles utilisées dans les piles à combustible.
La prochaine génération de nanotechnologies nécessite des composants de seulement quelques nanomètres d’épaisseur. Ces couches ultrafines, essentielles à l’amélioration de la fonctionnalité, sont appelées nanofeuilles.
Cependant, leur petite taille pose des difficultés pour les réactions catalytiques. Beaucoup de ces feuilles conservent une forme régulière avec un minimum de défauts. Mais la catalyse s’appuie généralement sur ces défauts pour ses réactions.
De plus, leur production est difficile en raison de l’absence de couches, ce qui rend inefficaces les techniques d’exfoliation traditionnelles qui dépendent de la superposition. Cette limitation a limité leur production à des matériaux typiques, tels que le carbone et la silice, plutôt qu’à des oxydes et oxyhydroxydes métalliques utilisant des matériaux comme le rhodium qui sont utiles en technologie.
Pour combler cette lacune, un groupe de recherche dirigé par le professeur adjoint Eisuke Yamamoto et le professeur Minoru Osada de l’Institut de recherche sur les matériaux et les systèmes (IMaSS) de l’Université de Nagoya a conçu une méthode de synthèse adaptable.
Le processus commence avec un tensioactif à l’état solide, qui aide à organiser les ions métalliques dans sa structure, en particulier dans les zones situées entre ses couches, appelées espace intercouche. Puisque les nanofeuilles amorphes ne comportent pas de couches, les couches de tensioactifs servent de substitut.
Osada est enthousiasmé par la beauté du processus. « Les cristaux de tensioactifs réellement synthétisés sont magnifiques au microscope optique », dit-il. « Il est possible de confiner une variété d’ions métalliques dans ces cristaux de tensioactif et de créer une variété de cristaux. »
De l’eau est ensuite ajoutée, qui interagit avec les ions métalliques disposés dans les couches de tensioactifs. Il déclenche une réaction appelée hydrolyse qui conduit à la dégradation partielle de ces ions et à la formation de petits amas isolés.
Les clusters peuvent être disposés en une structure organisée à l’aide d’un solvant, en particulier d’un produit chimique appelé formamide. Cette organisation est dirigée par les formes cristallines initiales du tensioactif à travers un processus appelé modèle, dans lequel les amas métalliques créent des feuilles qui reproduisent la forme des cristaux du tensioactif.
Cette méthode a créé des nanofeuilles amorphes d’environ 1,5 nm d’épaisseur à l’aide d’ions gallium. S’appuyant sur ce succès, Yamamoto et Osada ont appliqué la technique pour en synthétiser d’autres à partir d’oxydes et d’oxyhydroxydes métalliques difficiles tels que l’aluminium et le rhodium.
« Les nanofeuillets amorphes à cette échelle devraient avoir une excellente activité catalytique, attribuée à de nombreux défauts résultant de leur structure désordonnée », explique le professeur Osada. « Ces défauts sont d’excellents sites actifs pour les réactions catalytiques. Ces feuilles amorphes offrent une fonctionnalité très différente de celle des nanofeuilles traditionnelles. »
Cette méthode innovante synthétise non seulement une variété de nanofeuilles avec différentes espèces métalliques, mais permet également la combinaison de plusieurs types de métaux en une seule feuille, ouvrant ainsi la porte à de nouveaux matériaux et propriétés.
« Les nouvelles classes de matériaux synthétisés grâce à cette technique devraient conduire à des progrès dans les domaines des matériaux bidimensionnels et amorphes, conduisant potentiellement à de nouvelles propriétés physiques et applications », explique Osada.
Les réactions catalytiques étant importantes dans les piles à combustible, les chercheurs sont enthousiasmés par la perspective que leurs recherches soient utilisées pour générer la prochaine génération d’énergie respectueuse de l’environnement.
Plus d’informations :
Eisuke Yamamoto et al, Modèle de tensioactif à l’état solide pour la synthèse contrôlée de nanofeuilles d’oxyde/oxyhydroxyde 2D amorphes, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-51040-2