La nano-lasagne : les nouveaux matériaux 2D gagnent du terrain
Une équipe de recherche met au point une synthèse de MXène respectueuse de l'environnement, sans acide fluorhydrique dangereux, pour une mise à l'échelle industrielle
Annonces
Il n'y a pas que le graphène : dans le cadre d'un projet interdisciplinaire, les chercheurs de l'Empa se sont intéressés à une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels, les MXènes. Ce groupe de matériaux polyvalents se prête à une multitude d'applications allant du stockage de l'énergie à la médecine. L'équipe de projet a fait des progrès considérables dans la modélisation et la synthèse des MXènes.
Les matériaux bidimensionnels constitués d'une seule couche d'atomes font actuellement l'objet d'intenses recherches. Leur nature bidimensionnelle leur confère de nombreuses propriétés avantageuses, que ce soit en termes de conductivité électrique ou de robustesse mécanique, et peut conduire à des effets quantiques particuliers. Le matériau bidimensionnel le plus connu est le graphène, une forme de carbone. Mais ce n'est pas le seul. Les étoiles montantes dans le ciel de la 2D sont appelées MXènes (prononcer "maxènes").
Contrairement au graphène, qui n'est constitué que d'atomes de carbone, les MXènes peuvent contenir un ou plusieurs métaux de transition en combinaison avec de l'azote ou du carbone. Ils sont produits à partir de ce que l'on appelle les phases MAX : des cristaux de céramique avec une structure en couches - "un peu comme des lasagnes", compare Jakob Heier, chercheur à l'Empa. Les couches intermédiaires sont éliminées par l'ajout d'acide. Les couches restantes, qui ne sont plus chimiquement liées entre elles, sont séparées les unes des autres dans un bain à ultrasons et les MXenes sont prêts à être utilisés.
Cette nouvelle classe de matériaux est particulièrement intéressante pour la recherche : "Les phases MAX peuvent être constituées de nombreux éléments différents et de leurs combinaisons, ce qui nous permet de produire des MXènes sur mesure pour de nombreuses applications", explique M. Heier. Toutefois, ces matériaux polyvalents potentiels, découverts il y a seulement une quinzaine d'années, ne sont pas encore largement utilisés ni bien compris. Un projet de recherche de l'Empa dirigé par Jakob Heier vise à changer cette situation.
Une perspective interdisciplinaire
L'initiative de recherche correspondante, TailorX, est un "booster de recherche" dans lequel plusieurs groupes de recherche de l'Empa collaborent pendant deux ans à l'étude approfondie d'un thème émergent et l'établissent en tant qu'activité de recherche. Des scientifiques de quatre laboratoires différents de l'Empa travaillent sur les MXènes : Polymères fonctionnels, auquel Jakob Heier est associé, Céramiques haute performance, Matériaux et composants pour l'énergie du bâtiment et Nanotech@surfaces.
Cette approche globale est intéressante car, comme l'explique Jakob Heier, "nous couvrons tout le spectre, de la recherche fondamentale et de la modélisation à la production des phases MAX et des MXènes, jusqu'à leurs applications". C'est une des grandes forces de l'Empa que de réunir toutes ces compétences dans un seul institut".
Le projet a été lancé en 2024 et touche maintenant à sa fin. Les co-initiateurs sont satisfaits des résultats obtenus. "Nous disposons désormais d'un large portefeuille de phases MAX différentes que nous pouvons synthétiser avec un haut degré de pureté", explique Michael Stuer, du laboratoire de céramique haute performance. La synthèse des cristaux précurseurs n'est pas tout à fait simple : il ne suffit pas de mélanger les éléments souhaités dans les bonnes proportions. "En comprenant mieux le processus de synthèse, nous avons pu synthétiser de nombreuses phases MAX avec différents degrés de complexité chimique qui ne sont pas encore disponibles sur le marché", explique M. Stuer.
Capter le CO₂ et traiter le cancer
Les experts en synthèse ont reçu le soutien du laboratoire nanotech@surfaces, dont les chercheurs ont développé différents modèles d'IA pour les phases MAX et les MXènes. Ces modèles permettent de prédire et de comprendre la synthèse des phases et leur géométrie individuelle. Mais la modélisation est aussi au cœur de l'application des MXènes. "Nous développons actuellement un modèle qui décrit l'interaction des MXènes avec le CO₂", explique Cesare Roncaglia, chercheur à nanotech@surfaces.
L'absorption et la conversion du dioxyde de carbone sont au cœur des applications potentielles des MXènes. Grâce à leur grande surface, ces matériaux 2D peuvent capter le CO₂ de l'air et le transformer en matières premières utilisables, conformément à l'initiative de recherche à grande échelle de l'Empa "Mining the Atmosphere". Mais le potentiel des MXenes n'est pas épuisé pour autant. Ces nanoparticules 2D polyvalentes pourraient aussi être utilisées dans des domaines plus larges comme la catalyse, le stockage de l'énergie ou la technologie des capteurs. En médecine, certains MXènes promettent des effets antimicrobiens ou une thérapie ciblée contre le cancer. Dans cette optique, les participants au projet collaborent avec des chercheurs de l'Empa à Saint-Gall pour étudier leurs effets sur les cellules vivantes et l'environnement.
Respect de l'environnement et évolutivité
Le respect de l'environnement est également un élément clé dans la production des MXènes. Des acides fortement corrosifs sont généralement utilisés pour les extraire des phases MAX. Cette opération est non seulement dangereuse pour l'homme et pour l'environnement, mais aussi coûteuse. "Le processus de gravure est l'une des raisons pour lesquelles seuls quelques MXènes sont disponibles dans le commerce", explique Shanyu Zhao du laboratoire Building Energy Materials and Components. Dans le cadre du projet TailorX, lui et son équipe ont non seulement travaillé sur les applications et la caractérisation des MXènes, mais ont également mis au point une "méthode verte" alternative pour les exfolier de la phase MAX. "Notre approche évite l'utilisation de l'acide fluorhydrique, agressif et dangereux, et l'ensemble du processus est plus efficace et plus doux, ce qui le rend à la fois durable et évolutif", explique Zhao.
Pour les chercheurs, la conclusion du programme Research Booster n'est que le début de leurs travaux sur ces matériaux 2D polyvalents. Ils ont déjà lancé d'autres projets visant à incorporer les MXènes dans une large gamme d'applications, telles que les supercondensateurs à haute performance, les batteries innovantes, les aérogels à isolation électromagnétique et les capteurs médicaux. Parallèlement, la recherche fondamentale sur cette jeune classe de matériaux se poursuit. "Grâce à leur flexibilité et à leur adaptabilité, les MXènes offrent de tels avantages que les applications ne tarderont pas à voir le jour", résume Jakob Heier.
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.
Autres actualités du département science
