Comment se forment les nanocouches de fer et de soufre : les rayons X au service des réactions chimiques
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Des chercheurs de l'université de Hambourg, de l'université de Toulouse et des instituts de recherche DESY et ESRF ont observé pour la première fois en temps réel la formation de nanostructures de fer-soufre dans des solutions. En utilisant des méthodes de rayons X résolues dans le temps, les chercheurs ont pu visualiser l'ensemble de la voie de réaction - des précurseurs moléculaires initiaux aux nanocouches ultraminces complètes. Ces résultats offrent de précieuses indications sur la formation des matériaux dits métastables et viennent d'être publiés dans le Journal of the American Chemical Society (JACS).
La nanostructure ne se forme pas directement, mais plutôt par l'intermédiaire d'un produit intermédiaire en forme de couche qui se développe en deux dimensions, transférant sa forme de feuille nanométrique froissée au matériau final.
Ella Maru Studio
Les composés fer-soufre jouent un rôle important dans les processus géologiques et les applications technologiques, telles que la recherche sur les matériaux énergétiques. Le minéral greigite (Fe₃S₄), qui se caractérise par des propriétés magnétiques et électroniques exceptionnelles, est particulièrement intéressant. Malgré des recherches intensives, on ne sait toujours pas comment ces nanostructures se forment lors de la synthèse chimique.
Une équipe internationale dirigée par le professeur Dorota Koziej de l'université de Hambourg et le pôle d'excellence "CUI : Advanced Imaging of Matter" a réussi à décrypter le processus de formation jusqu'alors caché, dans le cadre du projet de consolidation ERC LINCHPIN. Pour ce faire, les chercheurs ont combiné plusieurs méthodes de radiographie aux sources de rayons X à haute énergie de l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) et de DESY, en appliquant notamment la méthode XES dite vtc dans des conditions de réaction réelles en solution et à des températures plus élevées. Sans les sources de rayons X très brillantes de l'ESRF, le signal, par ailleurs très faible, n'aurait pas pu être mesuré. Pendant que la réaction se déroulait, l'équipe a observé simultanément la structure, l'état d'oxydation du fer et l'environnement de liaison chimique.
Les mesures montrent que le matériau souhaité ne se forme pas directement. Au lieu de cela, un sulfure de fer intermédiaire de courte durée, semblable à une couche, se forme d'abord. Celui-ci se développe préférentiellement en deux dimensions et transmet ensuite sa forme de nano-feuille froissée au matériau final. Dans une étape de transformation dite topotactique, les atomes du solide se réarrangent, mais les particules conservent leur forme caractéristique de nanofeuillets froissés.
"Nous avons pu obtenir une très bonne vue d'ensemble des différentes étapes de la réaction, depuis la réduction initiale du composé de fer jusqu'à la formation de la nanostructure de sulfure de fer finale", explique le Dr Cecilia Zito. "Des informations aussi détaillées ne sont possibles qu'en combinant plusieurs méthodes d'analyse à un synchrotron utilisant des cellules de mesure spécialement conçues", ajoute le Dr Lars Klemeyer.
Les résultats de la recherche sont significatifs bien au-delà du système de matériaux spécifique étudié. Ils démontrent dans quelle mesure les étapes intermédiaires et la dynamique de croissance déterminent la forme finale des nanomatériaux. Ces connaissances sont cruciales pour la conception ciblée de nanostructures à l'avenir, par exemple pour des dispositifs de stockage d'énergie, des catalyseurs ou des matériaux fonctionnels plus efficaces.
En même temps, les expériences fournissent de nouveaux indices sur la façon dont des minéraux similaires ont pu se former dans la nature, par exemple dans les environnements pauvres en oxygène de la Terre primitive. Ces travaux mettent également en évidence le potentiel des méthodes modernes d'analyse multimodale in situ des rayons X pour déchiffrer les processus chimiques à l'échelle moléculaire et nanométrique au fil du temps - une approche qui pourra être appliquée à de nombreux autres systèmes de matériaux à l'avenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Cecilia A. Zito, Lars Klemeyer, Francesco Caddeo, Brian Jessen, Sani Y. Harouna-Mayer, Lise-Marie Lacroix, Malte Langfeldt, Tjark L. R. Gröne, Jagadesh K. Kesavan, Chia-Shuo Hsu, Alexander Schwarz, Ann-Christin Dippel, Fernando Igoa Saldaña, Blanka Detlefs, and Dorota Koziej; In situ X ray Synchrotron Studies Reveal the Nucleation and Topotactic Transformation of Iron Sulfide Nanosheets; J. Am. Chem. Soc. 147, 47409−47420 (2025)
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