Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont utilisé le bore comme élément X dans une famille de matériaux appelés phases MAX, pour lesquels seuls le carbone et l'azote pouvaient être utilisés auparavant. Une stratégie de recherche intelligente leur a permis d'éviter de recourir à des essais et des erreurs pour concevoir ce nouveau matériau, à partir de laquelle TiB en couches peut être obtenu pour des applications dans les batteries Li- ou Na-ion.

Considérant qu'il existe des dizaines d'éléments dans le tableau périodique et des milliers de combinaisons possibles, il n'est pas surprenant que les chercheurs recourent à des moyens ingénieux pour prédire quels composés peuvent être synthétisés dans la pratique et auraient des propriétés favorables. Une classe de matériaux utiles est appelée "phases MAX". Ce sont des composés ternaires constitués de trois éléments représentés par M, A et X qui présentent des propriétés céramiques et métalliques.

Ces composés forment des structures en couches à partir desquelles la "couche A" peut être gravée, laissant derrière lui ce qui est connu sous le nom de 2-D MXenes. Les MXenes ont beaucoup attiré l'attention car ils peuvent prendre un certain nombre de formes et de structures et offrent une excellente stabilité chimique et mécanique. Cela les rend applicables dans une grande variété de domaines, comme les batteries et la catalyse.

Jusqu'à maintenant, Les composés MAX ont été limités à l'utilisation de carbone ou d'azote pour l'élément X. Une équipe de recherche de Tokyo Tech, dirigé par le professeur Hideo Hosono, étudié la possibilité de synthétiser des phases MAX composées de titane, indium et bore :Ti 2 EnB 2 . Motivé par le fait que les borures ont des applications prometteuses en nanoélectronique, l'équipe a finalement cherché à synthétiser des MXenes à base de TiB.

Parce que la synthèse directe de TiB en couches est impossible, l'équipe devait d'abord déterminer un élément A pour synthétiser une phase MAX (c'est-à-dire, l'élément médian dans Ti-A-B). Ensuite, ils devraient trouver un moyen de graver la couche A de la phase MAX pour obtenir le TiB en couches tant convoité. Afin de déterminer quels éléments convenaient au A dans la phase MAX, ils ont utilisé une stratégie de recherche automatisée intelligente grâce à des calculs assistés par ordinateur. Ils ont d'abord analysé les structures "binaires" formées entre chacun des candidats pour A et TiB ou Ti 3 B 4 . Ceux qui se sont avérés stables ont été soumis à des calculs "ternaires" pour déterminer la stabilité globale du composé ternaire.

Une dernière vérification avec des calculs de structure de haute précision a été effectuée pour les meilleurs candidats, qui a finalement pointé sur Ti 2 EnB 2 comme la meilleure option. Avec cette stratégie, ils ont réduit le coût de calcul de leur recherche et ont démontré une approche intelligente pour trouver les composés ternaires souhaités. « Une stratégie réalisable pour simplifier la recherche de composés ternaires sur la base des connaissances disponibles dans le domaine est très demandée, " explique Hosono.

L'équipe a démontré que Ti 2 EnB 2 pourrait être synthétisé efficacement, puis exploré la possibilité de retirer In de la phase MAX pour obtenir la phase MX souhaitée. Bien que l'équipe ait réussi à obtenir du TiB en couches à partir de la phase MAX, sa structure n'était pas exactement compatible avec celle des MXenes 2D existants. Cependant, en ajustant les conditions nécessaires de leur approche, les chercheurs pensent qu'il sera possible d'obtenir du TiB MXene à l'avenir. Ainsi, ils ont effectué un certain nombre de calculs démontrant ses propriétés électriques supérieures, faisant allusion à son application potentielle en tant qu'excellent matériau d'anode pour les batteries lithium-ion ou sodium-ion. "La présente recherche étendra la classe fascinante des phases MAX et des MXenes, " conclut Hosono.