Thomas Heine, professeur de chimie théorique à la TU Dresden, avec son équipe, a prédit pour la première fois un polymère topologique 2-D en 2019. Seulement un an plus tard, une équipe internationale dirigée par des chercheurs italiens a pu synthétiser ces matériaux et prouver expérimentalement leurs propriétés topologiques. Pour la revue renommée Matériaux naturels , ce fut l'occasion d'inviter Thomas Heine à un article News and Views, qui a été publié cette semaine. Sous le titre « Faire des polymères topologiques 2-D une réalité, " Le professeur Heine décrit comment sa théorie est devenue réalité.

Les matériaux ultrafins sont extrêmement intéressants en tant que blocs de construction pour les dispositifs nanoélectroniques de prochaine génération, car il est beaucoup plus facile de créer des circuits et d'autres structures complexes en façonnant des couches 2D dans les formes souhaitées. Thomas Heine, Professeur de chimie théorique à la TU Dresden, travaille sur la prédiction de ces matériaux innovants. Leurs propriétés peuvent être calculées avec précision à l'aide de méthodes modernes de chimie computationnelle, avant même qu'elles n'aient été réalisées en laboratoire.

Cette recherche est particulièrement intéressante pour les polymères 2D :leur type de réseau est défini par la forme de leurs briques élémentaires, et celles-ci peuvent être choisies parmi la variété presque infinie de molécules organiques planes qui correspondent à la structure requise. Un exemple particulièrement intéressant est le réseau kagome, qui se compose des coins et des bords d'un carrelage trihexagonal. En 2019, Yu Jing et Thomas Heine ont proposé de synthétiser de tels polymères 2-D à partir de molécules organiques triangulaires (appelées triangulènes). Ces matériaux ont une structure combinée nid d'abeille-kagome (voir figure). Leurs calculs suggèrent que ces structures 2-D combinent les propriétés du graphène (porteurs de charge quasi sans masse) avec celles des supraconducteurs (bandes électroniques plates).

Maintenant, le scientifique italien des matériaux Giorgio Contini et son équipe internationale ont réussi à synthétiser ce polymère kagome en nid d'abeille 2-D, tel que publié dans Matériaux naturels plus tôt cette semaine. Une méthode innovante de synthèse de surface a permis de produire des cristaux d'une telle qualité qu'ils étaient adaptés à la caractérisation expérimentale des propriétés électroniques.

En effet, les propriétés topologiques fascinantes prédites ont été révélées. Ainsi, pour la première fois, il a pu être prouvé expérimentalement que les matériaux topologiques peuvent être réalisés via des polymères 2-D.

La recherche sur les polymères 2-D est ainsi placée sur une base solide. Le réseau kagome décrit ici n'est qu'un exemple parmi des centaines de possibilités de connecter des molécules planes à des réseaux réguliers. Pour certaines de ces variantes, d'autres propriétés électroniques intéressantes ont déjà été prédites théoriquement. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour les théoriciens et les expérimentateurs en chimie et en physique de développer des matériaux aux propriétés inconnues auparavant.

Le professeur Heine explique :« Ces résultats montrent que les polymères 2D peuvent être des matériaux dotés de propriétés électroniques utiles, bien que leurs structures soient beaucoup plus larges que les matériaux électroniques ordinaires, avec des distances de plus d'un nanomètre entre les points du réseau. La condition préalable est que les matériaux soient d'excellente qualité structurelle. Cela comprend une cristallinité élevée et une densité de défauts très faible. Une autre contribution importante des collègues autour du professeur Contini est que, bien que les polymères 2-D aient été produits sur une surface métallique, ils peuvent être détachés et transférés sur tout autre substrat, tels que l'oxyde de silicium ou le mica, et donc être incorporés dans des appareils électroniques.