Comment fonctionnent réellement les MXenes
Une nouvelle technique permet de mettre en évidence les nanomatériaux de nouvelle génération
Des chercheurs ont pour la première fois mesuré les véritables propriétés des flocons individuels de MXène, un nouveau nanomatériau prometteur pour de meilleures batteries, de l'électronique flexible et des dispositifs d'énergie propre. En utilisant une nouvelle technique basée sur la lumière appelée micro-ellipsométrie spectroscopique, ils ont découvert comment les MXènes se comportent au niveau d'un seul flocon, révélant des changements dans la conductivité et la réponse optique qui étaient auparavant cachés lorsqu'on n'étudiait que des couches empilées. Cette avancée fournit les connaissances et les outils fondamentaux nécessaires pour concevoir des technologies plus intelligentes et plus efficaces basées sur les MXènes.
Les scientifiques ont réalisé une percée dans la compréhension des propriétés intrinsèques fondamentales des MXènes - une classe de matériaux salués pour leur potentiel en matière de stockage d'énergie de nouvelle génération et d'électronique avancée.
Les MXènes (prononcez max-eens) sont des matériaux ultraminces de quelques atomes d'épaisseur seulement, réputés pour leur capacité à conduire l'électricité, à stocker l'énergie et à interagir avec la lumière. Jusqu'à présent, cependant, la plupart des études ont examiné les MXènes en vrac, sous la forme de films minces constitués de nombreux flocons qui se chevauchent. Cette approche, bien qu'utile, masquait les propriétés uniques des flocons individuels, laissant des questions sans réponse quant à leur véritable potentiel.
La nouvelle étude a été menée par le Dr Andreas Furchner du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et le Dr Ralfy Kenaz de l'Institut de physique de l'Université hébraïque (HUJI) - une collaboration étroite entre les groupes de recherche du Dr Tristan Petit et du Pr Ronen Rapaport, respectivement. Elle révèle, pour la première fois, comment les flocons de MXène se comportent lorsqu'ils sont isolés et étudiés à l'échelle nanométrique. Les résultats ont été récemment publiés dans ACS Nano, l'une des principales revues mondiales consacrées aux nanosciences et aux nanotechnologies.
L'ellipsométrie est l'une des techniques optiques non invasives les plus avancées pour la caractérisation des matériaux. Toutefois, les ellipsomètres conventionnels ont du mal à mesurer des surfaces inférieures à 50 microns, soit à peu près la largeur d'un cheveu humain, ce qui les rend inadaptés à l'analyse des structures microscopiques courantes dans la technologie et la recherche modernes. Par conséquent, les mesures ellipsométriques sur les MXènes ont été limitées à des films minces macroscopiques constitués de paillettes empilées et se chevauchant. Cette limitation a empêché les mesures directes des flocons de MXène individuels, dont les dimensions latérales sont beaucoup plus petites, empêchant ainsi une véritable compréhension de leurs propriétés intrinsèques.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique avancée et brevetée qu'ils ont mise au point et appelée micro-ellipsométrie spectroscopique (SME) - essentiellement une sorte d'"empreinte optique" - qui leur a permis de mesurer les propriétés optiques, structurelles et électroniques de flocons de MXène individuels avec une haute résolution latérale et sans les endommager. Dans le cadre de l'étude, des flocons de MXène de différentes épaisseurs ont été synthétisés à HZB et envoyés à HUJI pour des mesures de PME. Des mesures complémentaires à l'échelle nanométrique ont été effectuées au Nano Center de HUJI, et toutes les analyses de données ont été réalisées en collaboration par les deux groupes.
En projetant de la lumière avec des états de polarisation définis sur des flocons microscopiques aussi fins qu'une seule couche moléculaire et en analysant la réflexion de cette lumière, les chercheurs ont cartographié la façon dont la capacité du matériau à conduire l'électricité et à interagir avec la lumière change en fonction de l'épaisseur et des propriétés structurelles. Ils ont découvert qu'à mesure que les flocons de MXene s'amincissent, leur résistance électrique augmente, ce qui est essentiel pour construire des dispositifs fiables et performants.
La méthode était si précise qu'elle correspondait aux outils d'imagerie à l'échelle nanométrique tels que la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), confirmant son pouvoir en tant qu'outil de diagnostic non invasif.
Le Dr Furchner, du Helmholtz-Zentrum Berlin, qui a apporté sa grande expertise en ellipsométrie au domaine du MXène, a fait remarquer : "La mesure de la façon dont les flocons de MXène dépolarisent la lumière nous a permis de mettre en évidence les variations structurelles d'épaisseur à l'intérieur des flocons au niveau nanométrique. Nous avons été ravis de voir à quel point les résultats correspondaient aux techniques destructives telles que STEM".
Le Dr Kenaz de l'Université hébraïque, développeur et co-inventeur de la technique SME, a déclaré : "Ce qui est vraiment remarquable avec ce travail, c'est qu'il n'y a pas de différence entre les deux techniques : "Ce qui est vraiment remarquable dans ce travail, c'est qu'en moins d'une minute, nous pouvons mesurer directement les propriétés optiques, l'épaisseur, les propriétés structurelles et la conductivité de flocons de MXène individuels, le tout de manière non destructive. Normalement, ces mesures nécessitent trois instruments différents, prennent du temps, sont destructives et, en fin de compte, ne sont pas aussi fiables que la micro-ellipsométrie spectroscopique".
M. Petit, du Helmholtz-Zentrum Berlin, ajoute : "Cela ouvre de nouveaux champs de recherche pour la caractérisation operando, qui n'étaient auparavant possibles qu'avec des techniques synchrotron telles que la STXM (microscopie à rayons X à transmission par balayage). Nous disposons désormais d'une nouvelle technique à haut débit pour comprendre comment les MXènes évoluent dans différents environnements - un outil de laboratoire qui complète les expériences d'imagerie à rayons X, par exemple".
Les MXènes sont étudiés pour une large gamme d'applications - des batteries ultrarapides aux systèmes de purification de l'eau, en passant par l'électronique flexible et la collecte de l'énergie solaire. Il est essentiel de comprendre le comportement du matériau au niveau des flocons individuels pour concevoir des dispositifs à la fois efficaces et évolutifs.
Le professeur Rapaport de l'université hébraïque a ajouté : "Ce travail fournit une feuille de route pour l'intégration des MXènes dans des technologies réelles en offrant une vue directe de leurs propriétés intrinsèques, sans l'interférence de couches empilées ou d'impuretés. En affinant la façon dont nous étudions ces matériaux à l'aide de notre technique SME, nous ouvrons la voie à leur utilisation dans les dispositifs optoélectroniques, les solutions énergétiques et au-delà."
Cette étude permet non seulement d'acquérir des connaissances fondamentales sur les MXènes, mais aussi de faire de la micro-ellipsométrie spectroscopique une nouvelle norme pour l'analyse des matériaux 2D. Grâce à cette avancée, les scientifiques du monde entier pourraient bientôt être en mesure d'étudier d'autres nanomatériaux émergents de la même manière.
Comme l'a conclu M. Petit, du Helmholtz-Zentrum Berlin, "il s'agit d'une démonstration puissante de la façon dont les nanomatériaux peuvent être analysés : "Il s'agit d'une démonstration puissante de la manière dont la collaboration internationale et la physique avancée peuvent accélérer la science des matériaux. Les MXènes ne sont qu'un début".
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Publication originale
Ralfy Kenaz, Saptarshi Ghosh, Mailis Lounasvuori, Namrata Sharma, Sergei Remennik, Atzmon Vakahi, Hadar Steinberg, Tristan Petit, Ronen Rapaport, Andreas Furchner; "Optical, Structural, and Charge Transport Properties of Individual Ti3C2Tx MXene Flakes via Micro-Ellipsometry and Beyond"; ACS Nano, 2025-9-30
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