Après que le graphène a été produit pour la première fois en laboratoire en 2004, des milliers de laboratoires ont commencé à développer des produits à base de graphène dans le monde. Les chercheurs ont été étonnés par ses propriétés légères et ultra-résistantes. Dix ans après, les scientifiques recherchent maintenant d'autres matériaux qui ont le même niveau de potentiel.

"Nous continuons à travailler avec le graphène, et il y a des applications où ça marche très bien, " a déclaré Mark Hersam, la chaire Bette et Neison Harris d'excellence en enseignement à la McCormick School of Engineering and Applied Science de la Northwestern University, qui est un expert en graphène. "Mais ce n'est pas la réponse à tous les problèmes du monde."

Fait partie d'une famille de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, le bisulfure de molybdène (MoS2) est devenu un matériau de pointe pour l'exploration dans le laboratoire d'Hersam. Comme le graphène, il peut être exfolié en feuilles atomiquement minces. Comme il s'amincit jusqu'à la limite atomique, il devient fluorescent, le rendant utile pour l'optoélectronique, comme les diodes électroluminescentes, ou des dispositifs absorbant la lumière, comme les cellules solaires. Le MoS2 est également un véritable semi-conducteur, ce qui en fait un excellent candidat pour l'électronique, et il a historiquement été utilisé en catalyse pour éliminer le soufre du pétrole brut, qui empêche les pluies acides.

Le défi d'Hersam était de trouver un moyen d'isoler à plus grande échelle des feuilles atomiquement minces de ce matériau prometteur. Depuis six ans, son laboratoire a développé des méthodes pour exfolier de fines couches de graphène à partir de graphite, en utilisant des méthodes basées sur des solutions.

"On pourrait penser qu'il serait facile de faire la même chose pour le bisulfure de molybdène, " at-il dit. " Mais le problème est que tandis que l'exfoliation est similaire au graphène, la séparation est considérablement plus difficile."

Les recherches d'Hersam sont décrites dans l'article "Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymère-assisted gradient ultracentrifugation, " qui a été publié dans le numéro du 13 novembre de Communication Nature .

Pour trier les couches de graphène, Hersam a utilisé la force centrifuge pour séparer les matériaux par densité. Pour faire ça, lui et son groupe ont ajouté le matériau à un tube à centrifuger avec un gradient de solution à base d'eau. Lors de la centrifugation, les espèces les plus denses se déplacent vers le bas, créant des couches de densités dans le tube de centrifugation. Le graphène est trié en feuilles à une seule couche vers le haut, puis des feuilles bicouches, tricouche, etc. Parce que le graphène a une densité relativement faible, il trie facilement par rapport aux matériaux de densité plus élevée.

"Si j'utilise exactement le même procédé avec le bisulfure de molybdène, sa densité plus élevée le fera s'écraser, " a déclaré Hersam. " Il dépasse la densité maximale du gradient, qui nécessitait une solution innovante."

Hersam avait besoin de prendre le matériau intrinsèquement dense et de réduire efficacement sa densité sans changer le matériau lui-même. Il s'est rendu compte que cet objectif pouvait être atteint en ajustant la densité des molécules utilisées pour disperser le MoS2. En particulier, l'utilisation de dispersants polymères plus volumineux a permis de réduire la densité effective de MoS2 dans la plage du gradient de densité. De cette façon, les feuilles de MoS2 flottaient dans des positions superposées au lieu de s'accumuler au fond du tube à centrifuger. Cette technique ne fonctionne pas seulement pour MoS2, mais pour d'autres matériaux de la famille des dichalcogénures de métaux de transition.

"Maintenant, nous pouvons isoler une seule couche, bicouche, ou des dichalcogénures de métaux de transition tricouches de manière évolutive, " a déclaré Hersam. " Ce procédé nous permettra d'explorer leur utilité dans des applications à grande échelle, comme l'électronique, optoélectronique, catalyse, et des cellules solaires."