Des nanopores sur mesure : une équipe viennoise façonne du « graphène blanc » à l'échelle atomique
La physique et la chimie ouvrent la voie à un large éventail d'applications grâce à l'ingénierie des nanopores
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Une équipe de recherche de l’Université de Vienne, dirigée par le physicien Jani Kotakoski, démontre comment la forme des nanopores dans le nitrure de bore hexagonal – l’équivalent électriquement isolant du graphène, également appelé « graphène blanc » – peut être contrôlée avec précision au niveau atomique. L'irradiation par des électrons sous vide ultra-poussé crée des pores circulaires, tandis que l'ajout de faibles quantités d'oxygène produit des pores triangulaires. L'ingénierie des nanopores présentée dans la revue Nature Communications ouvre ainsi la voie à de nouvelles applications dans les domaines de la filtration, du séquençage de l'ADN, de la catalyse et des technologies quantiques.
Le nitrure de bore hexagonal bidimensionnel (hBN) est un matériau isolant constitué d’une seule couche d’atomes. Il forme une barrière stable qui peut également servir à protéger d’autres matériaux bidimensionnels, tels que le graphène, de leur environnement. La création de pores ne mesurant que quelques atomes de diamètre rend cette barrière perméable, ce qui donne naissance à une membrane nanoporeuse à travers laquelle des molécules ou des ions peuvent passer. De telles membranes pourraient être utilisées pour filtrer des substances ou analyser l’ADN lors de son passage à travers un nanopore. À cette échelle, la forme précise du pore et les atomes qui tapissent ses bords influencent la manière dont il interagit avec les molécules qui le traversent. Par ailleurs, en raison de leur petite taille, les pores possèdent des propriétés de mécanique quantique qui les rendent utiles pour la catalyse et les applications quantiques.
Les électrons peuvent visualiser et modifier les structures atomiques par com
Une méthode pour créer ces pores minuscules consiste à utiliser le faisceau d’électrons d’un microscope électronique à transmission : les mêmes électrons qui servent à visualiser des matériaux en deux dimensions jusqu’au niveau des atomes individuels peuvent également arracher des atomes du matériau. Sous l’effet d’une irradiation continue, ces défauts se transforment en nanopores. On sait depuis près de deux décennies que l’irradiation par électrons du hBN produit des pores triangulaires. Leur forme était généralement attribuée aux différences de facilité avec lesquelles les atomes de bore et d’azote sont déplacés. « Nous montrons pour la première fois que la forme des pores n’est pas due aux seuls électrons, mais qu’elle est influencée par l’atmosphère entourant l’échantillon », explique Umair Javed, premier auteur de l’étude et doctorant au sein du groupe Kotakoski à la Faculté de physique de l’Université de Vienne.
Interaction entre chimie et physique
Les microscopes électroniques fonctionnent sous vide, mais celui-ci contient généralement encore des molécules de gaz résiduelles. L’équipe viennoise a utilisé un microscope doté d’un vide d’une qualité exceptionnelle et capable d’introduire des gaz sélectionnés dans l’environnement de l’échantillon. Cela leur a permis d’étudier ce qui se passe lorsque le faisceau d’électrons agit sur le hBN presque seul – et ce qui change lorsque des gaz sont ajoutés. Sous vide ultra-élevé, le faisceau d’électrons a éliminé les atomes de bore et d’azote à des taux à peu près égaux, provoquant la formation de pores circulaires. L’ajout d’azote n’a eu que peu d’effet. Cependant, en présence d’une quantité même infime d’oxygène, les atomes de bore ont été éliminés beaucoup plus facilement et des pores triangulaires aux bords terminés par de l’azote sont apparus. L’oxygène seul ne suffisait pas : les résultats indiquent que le faisceau d’électrons décompose l’oxygène moléculaire en espèces réactives capables d’attaquer chimiquement le matériau. La forme des pores résulte donc d’une interaction entre la physique et la chimie : le « perçage » par des électrons énergétiques favorise les pores circulaires, tandis que la gravure chimique induite par l’oxygène favorise les pores triangulaires. En ajustant l’atmosphère pendant l’irradiation par électrons, les chercheurs peuvent contrôler la forme des pores qui se forment.
Vers un contrôle accru
« C’est extrêmement passionnant », déclare l’auteur principal, Jani Kotakoski. « Nous espérons trouver des moyens similaires de contrôler la forme des pores dans d’autres matériaux, et peut-être aussi de créer différentes formes dans le nitrure de bore hexagonal. » Un tel contrôle pourrait permettre de concevoir des structures d’une précision atomique pour des applications allant de la filtration de l’eau à la catalyse en passant par les technologies quantiques. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du pôle d’excellence « Matériaux pour la conversion et le stockage de l’énergie » du Fonds autrichien pour la science (FWF), au sein duquel le groupe de Jani Kotakoski vise à utiliser cette méthode pour créer de nouvelles structures catalytiquement actives.
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.
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