Les super-pouvoirs des matériaux super-minces

En science des matériaux, le 2-D est le nouveau 3-D.

Ces dernières années, les appareils connectés à Internet ont colonisé toute une série de nouvelles frontières – poignets, réfrigérateurs, sonnettes de porte, voitures. Mais pour certains chercheurs, la propagation de  » l’Internet des objets  » n’est pas allée assez loin.

 » Et si nous pouvions intégrer l’électronique dans absolument tout « , a récemment déclaré Tomás Palacios, ingénieur électricien au Massachusetts Institute of Technology.  » Et si nous pouvions récolter l’énergie des cellules solaires à l’intérieur des autoroutes, et si nous avions des capteurs de contrainte intégrés dans les tunnels et les ponts pour surveiller le béton ? Et si nous pouvions regarder à l’extérieur et obtenir les prévisions météorologiques par la fenêtre ? Ou apporter de l’électronique dans ma veste pour surveiller ma santé ? »

En janvier 2019, le Dr Palacios et ses collègues ont publié un article dans Nature décrivant une invention qui rapprocherait un peu plus ce futur : une antenne capable d’absorber la soupe ambiante toujours plus épaisse de signaux Wi-Fi, Bluetooth et cellulaires et de la transformer efficacement en énergie électrique utilisable.

La clé de cette technologie est un matériau prometteur : le disulfure de molybdène, ou MoS₂, déposé en une couche d’à peine trois atomes d’épaisseur. Dans le monde de l’ingénierie, les choses ne peuvent pas devenir beaucoup plus fines.

Et mince est utile. Par exemple, une couche de MoS₂ pourrait s’enrouler autour d’un bureau et le transformer en chargeur d’ordinateur portable, sans aucun cordon d’alimentation.

Comme le voient des chercheurs comme M. Palacios, les matériaux bidimensionnels seront la cheville ouvrière de l’Internet de tout. Ils seront  » peints  » sur les ponts et formeront les capteurs qui permettront de surveiller les contraintes et les fissures. Ils recouvriront les fenêtres de couches transparentes qui ne deviendront visibles que lorsque l’information sera affichée. Et si l’absorbeur d’ondes radio de son équipe réussit, il alimentera ces appareils électroniques omniprésents. De plus en plus, l’avenir semble plat.

« Il y a eu un intérêt absolument explosif « , a déclaré Jeff Urban, chercheur en matériaux 2D à la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, en Californie. « Il n’y a pas d’autre façon de le caractériser. »

L’aplatissement vous mènera partout

L’engouement pour la chimie 2D a commencé en 2004, lorsque deux chercheurs de l’Université de Manchester ont utilisé du ruban de cellophane pour décoller des couches d’un atome de carbone de morceaux de graphite, formant ainsi du graphène. La composition du graphène est identique à celle du graphite et du diamant, mais sa minceur lui confère des propriétés très différentes : Il est flexible, transparent, extrêmement résistant et constitue un conducteur électrique et thermique exceptionnel.

Les chercheurs ont rapidement entrepris d’en faire toutes sortes de gadgets nouveaux et améliorés. Récemment, plusieurs sociétés ont lancé des casques d’écoute avec diaphragmes – les membranes vibrantes qui produisent le son dans les appareils audio – en graphène. Certains fabricants de peinture ajoutent du graphène à leurs formules pour fabriquer des revêtements plus durables. En octobre dernier, Huawei a lancé le Mate 20 X, un téléphone portable grand et puissant qui utilise le graphène pour aider à refroidir le processeur. Samsung a utilisé le graphène pour développer une batterie à charge plus rapide, qui pourrait apparaître dans les téléphones dans un avenir proche.

M. Urban travaille avec des matériaux bidimensionnels pour améliorer les piles à combustible, qui ont suscité l’intérêt comme système de propulsion propre pour les véhicules écologiques. La plupart des piles à combustible produisent de l’électricité à partir de l’hydrogène, mais même sous haute pression, l’hydrogène gazeux prend plusieurs fois plus de place qu’une quantité comparable d’essence, ce qui le rend peu pratique à utiliser dans les automobiles.

M. Urban intègre plutôt des atomes d’hydrogène dans les solides, qui sont beaucoup plus denses que les gaz. En mars, lui et ses collègues ont annoncé un nouveau moyen de stockage : de minuscules cristaux de magnésium enveloppés dans d’étroites bandes appelées nanorubans de graphène. L’hydrogène ainsi stocké, ont-ils constaté, pourrait fournir presque autant d’énergie que le même volume d’essence, tout en pesant beaucoup moins.

Le Dr Urban a comparé le procédé à la cuisson de biscuits aux pépites de chocolat, où le magnésium est la pépite de chocolat – l’élément clé – parce qu’il retient l’hydrogène.  » Nous voulons un biscuit aux pépites de chocolat avec autant de pépites de chocolat que possible « , a-t-il dit, et le nanoruban de graphène fait une excellente pâte à biscuit. Le nanoruban aide aussi l’hydrogène à entrer et à sortir rapidement des cristaux de magnésium tout en bloquant l’oxygène, qui est en concurrence avec l’hydrogène pour l’espace dans les cristaux.

Le Dr Urban se penche sur le domaine super-mince de l’Advanced Light Source, un laboratoire en forme de dôme avec une vue imprenable sur San Francisco et la baie voisine. Là, les électrons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, ce qui génère de puissants rayons X qui peuvent être utilisés pour sonder finement la structure atomique des matériaux.

À l’A.L.S., M. Urban et ses collègues ont appris exactement comment le graphène s’enroulait autour du magnésium et s’y liait étroitement. Selon eux, ce sont ces liaisons qui rendent le matériau composite stable sur de longues périodes – une caractéristique importante pour l’utilisation dans le monde réel.

Ailleurs, les chercheurs prennent des couches superminces de matériaux et les empilent en blocs tridimensionnels qui ont des propriétés distinctes des matériaux bidimensionnels et tridimensionnels conventionnels.

Kwabena Bediako, chimiste à l’Université de Californie à Berkeley, a publié l’an dernier dans Nature une étude qui décrit comment lui et ses collègues ont intégré des ions de lithium entre de nombreuses couches de matériaux bidimensionnels, dont le graphène.

« Nous commençons avec un morceau de pain, nous le mettons sur de la mayonnaise, nous le mettons sur du fromage, nous le mettons sur du jambon », a-t-il dit. « Vous pouvez faire ça autant de fois que vous voulez et créer un sandwich. »

En faisant varier les différentes couches de la pile tridimensionnelle, les chercheurs ont pu affiner la façon dont les matériaux stockent le lithium, ce qui pourrait mener au développement de nouvelles piles à haute capacité pour les appareils électroniques.

Xining Zang, un candidat postdoctoral en science des matériaux au M.I.T., a récemment découvert une façon étonnamment facile de construire des piles de matériaux bidimensionnels à l’aide de gélatine, l’ingrédient qui donne au Jell-O et aux guimauves leur structure. Avec plusieurs collègues, elle a combiné la gélatine, les ions métalliques et l’eau. La gélatine s’est assemblée en couches (comme elle le fait lorsqu’elle forme du Jell-O), ce qui a permis de disposer les ions métalliques en couches également. Une partie du carbone contenu dans la gélatine a ensuite réagi avec le métal pour produire des feuilles bidimensionnelles de carbures métalliques ; ces feuilles ont servi de catalyseurs pour aider à diviser l’eau en oxygène et en hydrogène, un processus qui pourrait être utilisé pour produire de l’électricité dans les piles à combustible.

 » J’hésite à dire que la technique était rudimentaire, car elle était vraiment élégante quand on y pense « , a déclaré Nate Hohman, un scientifique du personnel de la Molecular Foundry et un auteur de l’article. « C’est juste à l’interface entre la haute technologie et la basse technologie. »

Diluant de croissance

Un endroit où les matériaux bidimensionnels sont en plein essor est à Singapour, dans le laboratoire de Liu Zheng, à l’Université technologique de Nanyang. Singapour est connue comme la Ville Jardin, et ce petit pays a rempli avec zèle ses terres de verdure – y compris à l’université, qui a placé des jardins dans des recoins libres tout autour de ses bâtiments modernes.

Le Dr Zheng considère ses recherches comme une autre forme de culture. « Je suis un jardinier « , dit-il.  » Il y a un jardin en 2-D, avec toutes sortes de fleurs. Elles sont toutes magnifiques. »

L’an dernier, M. Zheng et ses collègues ont considérablement élargi ce jardin en créant des dizaines de nouveaux matériaux bidimensionnels à partir d’une classe de composés appelés chalcogénures de métaux de transition, ou T.M.C.s. La découverte clé a été l’utilisation de sel de table ordinaire pour abaisser les températures auxquelles les métaux sont généralement fondus ; cela a permis de vaporiser les métaux et de les déposer en couches minces.

« Un jour, un étudiant m’a dit : ‘Je peux faire tous les T.M.C.s avec du sel’ « , a dit le Dr Zheng. « J’ai été très surpris. C’était mon rêve depuis de nombreuses années. »

Dans le laboratoire très fréquenté du Dr Zheng, un ensemble d’étagères est empilé avec des récipients transparents et étanches ; ceux-ci contiennent des plaquettes de silicium, sur lesquelles les matériaux 2-D sont déposés. Les films forment souvent un triangle ou un hexagone visible, selon les structures géométriques des cristaux de chaque matériau.

Une fois les films déposés, l’équipe du Dr Zheng se rend dans un laboratoire voisin pour étudier en détail les structures résultantes. La salle est dominée par un microscope électronique à transmission qui mesure près de 4m et pèse une tonne et demie – un dispositif géant pour observer les atomes individuels.

De nombreux T.C.M., dont le MoS₂ utilisé par M. Palacios pour absorber les ondes radio, présentent un potentiel pour diverses utilisations industrielles. Le séléniure de platine bidimensionnel fabriqué dans le laboratoire de Singapour pourrait permettre de fabriquer des piles à combustible moins coûteuses, qui utilisent généralement le platine, un métal précieux, pour séparer le proton d’un atome d’hydrogène de son électron. Le passage au séléniure de platine bidimensionnel pourrait réduire de 99 % la quantité de platine utilisée, a déclaré M. Zheng. L’Université technologique de Nanyang est en pourparlers avec des fabricants au sujet de la commercialisation de cette technologie. L’avenir n’est pas encore bidimensionnel, mais il se rapproche.

« Je vois un grand potentiel commercial pour ce matériau « , a déclaré M. Zheng. « Nous pouvons avoir un impact énorme sur le marché. »

un dispositif thermoélectrique flexible fabriqué dans le laboratoire du Dr Urban, à partir de nanofeuilles de carbone en deux dimensions. Les dispositifs thermoélectriques recueillent l’énergie thermique de l’environnement et la transforment en énergie électrique utile.

Via The NewYorkTimes

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