Des scientifiques du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) de la TU Dresden ont réussi pour la première fois à synthétiser des polymères 2-D en feuille par un processus ascendant. Une nouvelle voie de réaction synthétique a été développée à cet effet. Les polymères 2-D ne sont constitués que de quelques couches atomiques simples et, en raison de leurs propriétés très particulières, sont un matériau prometteur pour une utilisation dans les composants et systèmes électroniques d'une nouvelle génération. Le résultat de la recherche est un travail collaboratif de plusieurs groupes de la TU Dresden et de l'Université d'Ulm et a été publié cette semaine dans deux articles connexes dans les revues scientifiques Chimie de la nature et Communication Nature .

Depuis qu'Hermann Staudinger a découvert les polymères linéaires en 1920, c'était un rêve des scientifiques synthétiques d'étendre la polymérisation dans la deuxième dimension. Un polymère bidimensionnel (2-D) est une macromolécule monomoléculaire en forme de feuille constituée d'unités répétées latéralement connectées avec des groupes terminaux le long de tous les bords. Étant donné l'énorme diversité chimique et structurelle des éléments constitutifs (c. monomères), Les polymères 2D sont très prometteurs dans la conception rationnelle des matériaux adaptés aux applications de nouvelle génération, comme la séparation membranaire, électronique, appareils optiques, stockage et conversion d'énergie, etc. Cependant, malgré les énormes développements de la chimie de synthèse au cours du siècle dernier, la synthèse ascendante de polymères 2-D avec des structures définies reste une tâche redoutable.

Depuis 2014, un groupe de scientifiques de la Technische Universität Dresden et de l'Universität Ulm ont uni leurs forces pour poursuivre cet objectif intrigant mais ambitieux. L'équipe de recherche dirigée par le professeur Xinliang Feng (TU Dresden) a développé de manière innovante une nouvelle voie de synthèse :l'utilisation d'une monocouche de tensioactif comme modèle souple pour guider l'organisation supramoléculaire des monomères et la polymérisation 2-D ultérieure à une interface air-eau. Cette méthodologie de synthèse est maintenant appelée synthèse interfaciale tensioactif-monocouche-assistant (SMAIS). En utilisant la méthode SMAIS, Le Dr Tao Zhang a synthétisé des films cristallins de polyaniline quasi-2-D avec une taille latérale d'environ 50 cm ² et épaisseur réglable (2,6—30 nm).

Les propriétés supérieures de transport de charge et la chimirésistivité vis-à-vis de l'ammoniac et des composés organiques volatils font des films de polyaniline quasi-2-D des matériaux électroactifs prometteurs pour l'électronique organique à couche mince. Pour explorer davantage le potentiel du SMAIS, M. Kejun Liu, Dr Tao Zhang, Le Dr Zhikun Zheng et le Dr Renhao Dong ont réalisé pour la première fois la synthèse contrôlée de polyimide et de polyamide 2-D hautement cristallins à quelques couches. Les polymères 2-D ont une épaisseur de quelques nanomètres seulement et peuvent être facilement transférés sur des substrats arbitraires, ouvrant une opportunité passionnante pour l'intégration de polymères 2D dans des dispositifs et des systèmes de nouvelle génération.

Parallèlement aux développements cruciaux sur le front de la synthèse, le groupe de microscopie électronique à transmission dirigé par le professeur Dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) a fourni un autre pilier indispensable de la recherche commune. Depuis le développement de la correction d'aberration, L'imagerie MET à haute résolution a été une technique puissante dans la caractérisation structurelle jusqu'à l'échelle atomique. Encore, les matières organiques contenant de l'hydrogène sont extrêmement sujettes à la désintégration structurelle sous le faisceau d'électrons, faisant de l'imagerie HRTEM des polymères 2D une mission très exigeante. En utilisant le HRTEM à correction d'aberration sphérique, Le Dr Haoyuan Qi a réussi à démêler la micro-morphologie, structures moléculaires, les structures de joints de grains et de bords, des polymères synthétiques 2-D :une réalisation qui est rarement rapportée dans la littérature.

Les structures moléculaires et la cristallinité globale ont été mieux élucidées via la diffusion des rayons X à incidence rasante synchrotron (Cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresde). Le groupe du Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) a fourni des calculs de liaisons serrées à fonction de densité qui offrent des informations significatives sur les structures atomistiques des polymères synthétiques 2-D.