Plus qu'une belle image, le nanomatériau en forme d'étoile modifie le stockage de l'énergie
L'hydroxyde de vanadyle se comporte davantage comme un pseudocondensateur que comme une batterie lorsqu'il se présente sous la forme d'une structure étoilée
Annonces
Lorsqu'ils sont créés à l'échelle nanométrique, les matériaux peuvent prendre la forme d'étoiles, de tiges ou même de pyramides. Ces formes de particules, également connues sous le nom de morphologies d'un solide, sont plus que de simples images intéressantes au microscope : elles peuvent déterminer le comportement du matériau, parfois de manière spectaculaire.
Une image prise au microscope électronique à balayage révèle des particules d'hydroxyde de vanadyle (VOOH) en forme d'étoiles. L'équipe de Luis De Jesús Báez a constaté que ces particules se comportaient davantage comme un pseudocondensateur que comme une batterie.
Luis De Jesús Báez/University at Buffalo
Des chercheurs de l'université de Buffalo ont démontré ce phénomène en créant le tout premier hydroxyde de vanadyle (VOOH) en forme d'étoile et ont montré que cette forme peut modifier fondamentalement la manière dont le matériau stocke l'énergie.
Lorsque ce produit chimique à base de métal s'est d'abord formé sous forme de couches plates, semblables à des feuilles, il a stocké l'énergie en interne, comme une batterie. Mais lorsqu'il s'est transformé en tiges groupées et finalement en structures étoilées, son comportement a évolué vers celui d'un pseudocondensateur, stockant l'énergie à sa surface ou à proximité de celle-ci.
"Il suffit de modifier la morphologie d'un matériau pour changer son comportement électrochimique et, par conséquent, ce que l'on peut en faire", explique Luis De Jesús Báez, professeur adjoint au département de chimie de l'UB et auteur correspondant de l'étude publiée dans le numéro de janvier de Nanoscale, une revue de la Royal Society of Chemistry.
Ces résultats pourraient permettre de concevoir des systèmes de stockage d'énergie hybrides qui fournissent de l'énergie rapidement, comme un condensateur, tout en la stockant plus longtemps, comme une batterie. Elles suggèrent également que le contrôle de la forme d'un matériau pourrait influencer le comportement de ses électrons, un facteur clé dans les technologies émergentes telles que l'informatique quantique et neuromorphique.
"Nous apprenons de plus en plus que les propriétés d'un matériau ne sont pas seulement déterminées par la composition chimique ou la structure cristalline atomique - la morphologie doit également être prise en compte", explique M. De Jesús Báez.
De la graine à l'étoile
La création d'un matériau commence par une graine - un amas de quelques atomes qui peut se transformer en un solide dans les bonnes conditions et au fil du temps.
L'équipe de M. De Jesús Báez a synthétisé le VOOH et observé l'évolution de sa structure pendant trois jours et demi. Ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission et la microscopie électronique à balayage, qui s'appuient sur les électrons plutôt que sur la lumière pour obtenir des images de matériaux à des échelles extrêmement petites.
Au bout de 36 heures, le VOOH se présentait sous la forme de structures plates, semblables à des feuilles, et stockait l'énergie en interne comme une batterie classique. Au bout de 48 heures, le matériau a commencé à former des grappes en forme de tiges - et son comportement en matière de stockage d'énergie a commencé à changer.
Au bout de 84 heures, le VOOH avait pris la forme d'une étoile à six branches et stockait une partie de son énergie à sa surface ou à proximité.
"La croissance d'un solide en forme d'étoile est beaucoup plus complexe que celle d'une feuille. La forme en étoile permet d'avoir plus d'arêtes avec une forte densité de défauts et une surface globale plus importante. L'augmentation des défauts et de la surface entraîne une modification du comportement électrochimique et nous apprend le rôle de la nucléation et de la croissance sur les propriétés", explique le premier auteur, Jayanti Sharma, doctorant dans le laboratoire de De Jesús Báez.
Quand l'IA rencontre la science des matériaux
De plus en plus, les scientifiques utilisent des modèles d'intelligence artificielle pour simuler le comportement d'un matériau, mais M. De Jesús Báez estime que cette recherche montre pourquoi le travail de laboratoire, qui demande beaucoup de temps, reste essentiel.
Les modèles d'intelligence artificielle s'appuient sur les bases de données de la science des matériaux, qui contiennent souvent des informations sur les propriétés d'un matériau, mais pas toujours sur les conditions spécifiques nécessaires à sa production.
"À quoi sert un modèle qui vous dit que le VOOH est un bon pseudocondensateur s'il ne vous dit pas également qu'il nécessite une structure en forme d'étoile et ne vous explique pas comment la créer ? explique De Jesús Báez. "C'est là que l'IA doit rencontrer les spécialistes des matériaux, là où nous en sommes. Avec de meilleures données provenant du laboratoire, ces modèles pourraient vraiment nous aider à catapulter de nouvelles découvertes."
De plus, les images obtenues au microscope électronique valent à elles seules le temps passé au laboratoire.
"Chaque fois que je vois des images comme celles-ci, j'ai l'impression d'être un enfant et de découvrir à nouveau quelque chose de nouveau", déclare De Jesús Báez. "En 2026, on a parfois l'impression que tout ce qui pouvait être découvert l'a été, mais ces images nous rappellent qu'il reste encore beaucoup de choses à explorer.
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
Autres actualités du département science
