Les scientifiques découvrent un moyen facile de fabriquer atomiquement

Par University of Chicago30 mars 2023

Une image de microscopie électronique à balayage révèle les belles formes de minuscules structures connues sous le nom de MXènes, qui intéressent les scientifiques pour les nouveaux appareils et l'électronique, mais étaient auparavant difficiles à créer. Ceux-ci ont été cultivés avec une nouvelle méthode plus facile et moins toxique inventée par des chimistes de l'Université de Chicago. Pour référence, le diamètre d'un cheveu humain est d'environ 50 µm. 1 crédit

La clé d'un croissant parfait réside dans sa multitude de couches, chacune entrecoupée de beurre. De même, un nouveau matériau ayant un potentiel pour diverses applications est composé de nombreuses couches métalliques ultra-minces, entre lesquelles les scientifiques peuvent insérer différents ions à des fins spécifiques. Cela les rend potentiellement très utiles pour la future électronique de pointe et le stockage d'énergie.

Jusqu'à récemment, la production de ces matériaux, connus sous le nom de MXenes (prononcé "max-eens"), demandait autant de main-d'œuvre que la création d'un croissant de haute qualité dans une boulangerie française traditionnelle.

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 dans la revue Science, stimulera de nouvelles innovations et ouvrira la voie à l'utilisation des MXenes dans l'électronique et les appareils de tous les jours.

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 atomiques, 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.

However, the only way we knew to make MXenes involved several intensive chemical engineering steps, including heating the mixture at 3,000°F followed by a bath in hydrofluoric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">acide.

"This is fine if you’re making a few grams for experiments in the laboratory, but if you wanted to make large amounts to use in commercial products, it would become a major corrosive waste disposal issue," explained Dmitri Talapin, the Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Université de Chicago, co-nommé au Laboratoire national d'Argonne et auteur correspondant sur l'article.

To design a more efficient and less toxic method, the team used the principles of chemistry—in particular "atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom economy", 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."

Référence : "Direct Synthesis and Chemical Vapor Deposition of 2D Carbide and Nitride MXenes" par Di Wang, Chenkun Zhou, Alexander S. Filatov, Wooje Cho, Francisco Lagunas, Mingzhan Wang, Suriyanarayanan Vaikuntanathan, Chong Liu, Robert F. Klie et Dmitri V. Talapin 6/science.add9204

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.

Une partie de la recherche a été menée via les matériaux avancés du département américain de l'énergie pour les systèmes énergie-eau, un centre de recherche Energy Frontier; le Centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux de l'Université de Chicago ; et au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique du Laboratoire national d'Argonne.