Le laboratoire de James Tour à l’Université Rice a développé une nouvelle méthode connue sous le nom de chauffage Joule flash-within-flash (FWF) qui pourrait transformer la synthèse de matériaux solides de haute qualité, offrant un processus de fabrication plus propre, plus rapide et plus durable. Les résultats ont été publiés dans Chimie de la nature le 8 août.
Traditionnellement, la synthèse de matériaux solides est un processus long et énergivore, souvent accompagné de la production de sous-produits nocifs. Mais FWF permet la production à l’échelle du gramme de divers composés en quelques secondes tout en réduisant la consommation d’énergie, d’eau et les émissions de gaz à effet de serre de plus de 50 %, établissant ainsi une nouvelle norme pour la fabrication durable.
Cette recherche innovante s’appuie sur le développement réalisé par Tour en 2020 d’applications d’élimination et de recyclage des déchets utilisant le chauffage par effet Joule flash, une technique qui fait passer un courant à travers un matériau modérément résistif pour le chauffer rapidement à plus de 3 000 degrés Celsius (plus de 5 000 degrés Fahrenheit) et le transformer en d’autres substances.
« L’essentiel est que nous produisions auparavant du carbone et quelques autres composés qui pouvaient être conducteurs », explique Tour, professeur de chimie à la TT et à la WF Chao et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie. « Nous pouvons désormais synthétiser par flash le reste du tableau périodique. C’est une grande avancée. »
Le succès du FWF réside dans sa capacité à surmonter les limites de conductivité des méthodes de chauffage par effet Joule flash classiques. L’équipe, composée notamment de Chi Hun « Will » Choi, doctorant, et de Yimo Han, professeur adjoint de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie, a incorporé un récipient de chauffage flash externe rempli de coke métallurgique et un réacteur interne semi-fermé contenant les réactifs cibles. Le FWF génère une chaleur intense d’environ 2 000 degrés Celsius, qui convertit rapidement les réactifs en matériaux de haute qualité par conduction thermique.
Cette nouvelle approche permet la synthèse de plus de 20 matériaux uniques, sélectifs en phase, avec une pureté et une cohérence élevées, selon l’étude. La polyvalence et l’évolutivité du FWF sont idéales pour la production de matériaux semi-conducteurs de nouvelle génération tels que le diséléniure de molybdène (MoSe2), le diséléniure de tungstène et le séléniure d’indium en phase alpha, qui sont notoirement difficiles à synthétiser à l’aide de techniques conventionnelles.
« Contrairement aux méthodes traditionnelles, le FWF ne nécessite pas l’ajout d’agents conducteurs, ce qui réduit la formation d’impuretés et de sous-produits », a déclaré Choi.
Cette avancée ouvre de nouvelles opportunités dans l’électronique, la catalyse, l’énergie et la recherche fondamentale. Elle offre également une solution durable pour la fabrication d’une large gamme de matériaux. De plus, le FWF a le potentiel de révolutionner des industries telles que l’aérospatiale, où des matériaux comme le MoSe2 fabriqué à partir de FWF présentent des performances supérieures en tant que lubrifiants à l’état solide.
« Le FWF représente un changement radical dans la synthèse des matériaux », a déclaré Han. « En fournissant une méthode évolutive et durable pour produire des matériaux solides de haute qualité, il s’attaque aux obstacles de la fabrication tout en ouvrant la voie à un avenir plus propre et plus efficace. »
Plus d’informations :
Chi Hun ‘William’ Choi et al, Synthèse flash-in-flash de matériaux solides à l’échelle du gramme, Chimie de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41557-024-01598-7