Pendant plus d’une décennie, les scientifiques ont tenté de synthétiser une nouvelle forme de carbone appelée graphyne avec un succès limité. Cette entreprise est maintenant terminée, cependant, grâce à de nouvelles recherches de l’Université du Colorado à Boulder.
Graphyne intéresse depuis longtemps les scientifiques en raison de ses similitudes avec le graphène, un « matériau miracle », une autre forme de carbone très appréciée par l’industrie, dont les recherches ont même reçu le prix Nobel de physique en 2010. Cependant, malgré des décennies de travail et théorisant, seuls quelques fragments ont été créés jusqu’à présent.
Cette recherche, annoncée la semaine dernière dans Synthèse naturellecomble une lacune de longue date dans la science des matériaux carbonés, ouvrant potentiellement de toutes nouvelles possibilités pour la recherche sur l’électronique, l’optique et les matériaux semi-conducteurs.
« Tout le public, tout le domaine, est vraiment ravi que ce problème de longue date, ou ce matériau imaginaire, se réalise enfin », a déclaré Yiming Hu, auteur principal de l’article et titulaire d’un doctorat en chimie en 2022.
Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps à la construction de nouveaux ou de nouveaux allotropes de carbone, ou formes de carbone, en raison de l’utilité du carbone pour l’industrie, ainsi que de sa polyvalence.
Il existe différentes manières de construire des allotropes de carbone en fonction de la manière dont le carbone hybride sp2, sp3 et sp (ou des différentes manières dont les atomes de carbone peuvent se lier à d’autres éléments) et de leurs liaisons correspondantes sont utilisés. Les allotropes de carbone les plus connus sont le graphite (utilisé dans des outils comme les crayons et les piles) et les diamants, qui sont créés respectivement à partir de carbone sp2 et de carbone sp3.
En utilisant des méthodes de chimie traditionnelles, les scientifiques ont réussi à créer divers allotropes au fil des ans, notamment le fullerène (dont la découverte a remporté le prix Nobel de chimie en 1996) et le graphène.
Cependant, ces méthodes ne permettent pas de synthétiser les différents types de carbone ensemble dans une sorte de grande capacité, comme ce qui est requis pour le graphyne, qui a laissé le matériau théorisé – supposé avoir des propriétés uniques de conduction électronique, mécaniques et optiques – pour rester cela : une théorie.
Mais c’est aussi ce besoin de non-traditionnel qui a poussé les acteurs du domaine à contacter le groupe de laboratoire de Wei Zhang.
Zhang, professeur de chimie à CU Boulder, étudie la chimie réversible, qui est une chimie qui permet aux liaisons de s’autocorriger, permettant la création de nouvelles structures ordonnées, ou réseaux, tels que les polymères synthétiques de type ADN.
Après avoir été approchés, Zhang et son équipe de laboratoire ont décidé d’essayer.
La création de graphyne est une « question très ancienne et de longue date, mais comme les outils synthétiques étaient limités, l’intérêt a diminué », a déclaré Hu, qui était titulaire d’un doctorat. étudiant dans le groupe de laboratoire de Zhang, a commenté. « Nous avons de nouveau signalé le problème et utilisé un nouvel outil pour résoudre un ancien problème qui est vraiment important. »
En utilisant un processus appelé métathèse alcyne – qui est une réaction organique qui implique la redistribution, ou la coupure et le reformage, des liaisons chimiques alcynes (un type d’hydrocarbure avec au moins une triple liaison covalente carbone-carbone) – ainsi que la thermodynamique et le contrôle cinétique , le groupe a réussi à créer ce qui n’avait jamais été créé auparavant : un matériau qui pourrait rivaliser avec la conductivité du graphène mais avec contrôle.
« Il y a une assez grande différence (entre le graphène et le graphyne) mais dans le bon sens », a déclaré Zhang. « Cela pourrait être le matériau miracle de la prochaine génération. C’est pourquoi les gens sont très excités. »
Bien que le matériau ait été créé avec succès, l’équipe souhaite toujours en examiner les détails particuliers, notamment comment créer le matériau à grande échelle et comment il peut être manipulé.
« Nous essayons vraiment d’explorer ce nouveau matériau à partir de multiples dimensions, à la fois expérimentalement et théoriquement, du niveau atomique aux dispositifs réels », a déclaré Zhang à propos des prochaines étapes.
Ces efforts, à leur tour, devraient aider à déterminer comment les propriétés conductrices d’électrons et optiques du matériau peuvent être utilisées pour des applications industrielles telles que les batteries lithium-ion.
« Nous espérons qu’à l’avenir, nous pourrons réduire les coûts et simplifier la procédure de réaction, et ensuite, espérons-le, les gens pourront vraiment bénéficier de nos recherches », a déclaré Hu.
Pour Zhang, cela n’aurait jamais pu être accompli sans le soutien d’une équipe interdisciplinaire, ajoutant : « Sans le soutien du département de physique, sans le soutien de collègues, ce travail n’aurait probablement pas pu être fait. »
Yiming Hu et al, Synthèse de γ-graphyne en utilisant la chimie covalente dynamique, Synthèse naturelle (2022). DOI : 10.1038/s44160-022-00068-7