Jonas Björk, professeur assistant à l'université de Linköping. Crédit :Thor Balkhed
Une équipe de recherche internationale avec des membres de l'Université de Linköping, l'Université technique de Munich et le Deutsches Museum entre autres, a développé une méthode pour fabriquer des polymères bidimensionnels avec l'épaisseur d'une seule molécule. Les polymères sont formés sur une surface par l'action de la lumière. La découverte ouvre la voie à de nouveaux matériaux ultrafins et fonctionnels, et a été publié dans Chimie de la nature .
La quête de nouveaux matériaux bidimensionnels s'est rapidement intensifiée après la découverte du graphène, un supermatériau dont les excellentes propriétés incluent une conductivité et une résistance élevées, ce qui le rend incroyablement polyvalent. Deux approches principales sont utilisées pour créer des matériaux ultrafins. En premier, une couche continue de molécules ou d'atomes est « décollée » de la masse du matériau. Le graphène est un exemple d'un tel matériau.
L'autre approche, en revanche, implique la construction du matériau molécule par molécule en produisant des liaisons entre les molécules de diverses manières. Le problème est que les matériaux sont souvent petits, fragiles et contiennent de nombreux défauts. Cela limite les domaines d'application potentiels.
Une équipe de recherche internationale avec des membres de l'Université de Linköping, l'Université technique de Munich et le Deutsches Museum, entre autres, a maintenant développé une nouvelle méthode pour fabriquer des polymères bidimensionnels. La découverte permet de développer de nouveaux matériaux fonctionnels ultrafins avec des structures cristallines régulières et hautement définies.
La fabrication, ou polymérisation, du matériel se déroule en deux étapes. Les chercheurs utilisent une molécule connue sous le nom de « fantrip », une contraction du « triptycène anthracène fluoré ». Cette molécule est une fusion de deux hydrocarbures différents, l'anthracène et le triptycène. Les propriétés spécifiques du fantrip amènent les molécules à s'organiser spontanément en un motif adapté à la photopolymérisation lorsqu'elles sont placées sur une surface de graphite recouverte d'un alcane. Ce processus est connu sous le nom d'« auto-organisation ».
L'étape suivante est la photopolymérisation elle-même, lorsque le motif doit être fixé à l'aide de la lumière. Les molécules sont illuminées par un laser violet qui excite les électrons de la couche électronique la plus externe. Cela provoque la formation de liaisons covalentes solides et durables entre les molécules. Le résultat est un polymère bidimensionnel poreux, d'un demi nanomètre d'épaisseur, constitué de plusieurs centaines de milliers de molécules liées de manière identique, en d'autres termes, un matériau avec un ordre presque parfait, jusqu'au niveau atomique.
Markus Lackinger transférant un échantillon à l'intérieur de la chambre à ultra-vide au moyen d'une pince à vide. Cette chambre à vide contient toutes les installations pour la préparation et l'analyse d'échantillons sous vide. Crédit :Andreas Heddergott / TUM
"Créer des liaisons covalentes entre les molécules nécessite beaucoup d'énergie. La façon la plus courante de fournir de l'énergie est d'augmenter la température, mais cela provoque également le démarrage des molécules. Donc ça ne fonctionnera pas avec des molécules auto-organisées, puisque le motif serait flou. Utiliser la lumière pour créer des liaisons covalentes préserve le motif et le fixe précisément comme nous le voulons, " dit Markus Lackinger, chef de groupe de recherche au Deutsches Museum et à l'Université technique de Munich.
La photopolymérisation étant réalisée sur une surface de graphite solide, il est possible de suivre le processus à l'échelle moléculaire en utilisant la microscopie à effet tunnel. Cela montre les liens nouvellement formés dans un réseau persistant. Afin de confirmer l'affectation de la structure, le groupe de recherche a simulé l'apparition des réseaux moléculaires au microscope à différentes étapes de la réaction.
Jonas Björk est professeur adjoint à la Division de conception des matériaux au Département de physique, Chimie et biologie à l'Université de Linköping. Il a utilisé des ressources de calcul haute performance au National Supercomputer Center de Linköping pour valider les expériences et comprendre les facteurs clés qui font le succès de la méthode.
"On voit que les simulations s'accordent bien avec la réalité jusque dans les moindres détails, et nous pouvons également comprendre pourquoi notre système spécifique donne des résultats si utiles. La prochaine étape de la recherche sera de voir si la méthode peut être utilisée pour lier d'autres molécules pour de nouveaux matériaux bidimensionnels et fonctionnels. En améliorant la méthode, nous pourrons également contrôler et adapter le type de matériaux ultrafins que nous visons à fabriquer, " dit Jonas Björk.
La polymérisation a lieu sous vide, ce qui garantit que le matériau n'est pas contaminé. Cependant, le film polymère bidimensionnel final est également stable aux conditions atmosphériques, ce qui est un avantage pour les applications futures. Markus Lackinger pense que le matériau trouvera de nombreuses applications imaginables.
"L'application la plus évidente est d'utiliser le matériau comme filtre ou membrane, mais des applications dont nous n'avons aucune idée pour le moment dans des contextes tout à fait différents peuvent apparaître à l'horizon, aussi par hasard. C'est pourquoi la recherche fondamentale est si passionnante, " dit Markus Lackinger.
