L'équipe qui a créé les électrolytes 2D était dirigée par le professeur Antonio Castro Neto (à droite), Directeur du CA2DM. Avec lui se trouve Mme Mariana Costa (à gauche), le premier auteur de la publication. Crédit :Université nationale de Singapour
Matériaux intelligents, la dernière révolution dans le domaine de la science des matériaux, peuvent adapter leurs propriétés en fonction des changements dans leur environnement. Ils peuvent être utilisés dans tout, des écrans de téléphone portable auto-cicatrisants, aux ailes d'avion qui changent de forme, et l'administration ciblée de médicaments. L'administration de médicaments à une cible spécifique à l'intérieur du corps à l'aide de matériaux intelligents est particulièrement importante pour des maladies comme le cancer, comme le matériau intelligent ne libère la charge utile du médicament que lorsqu'il détecte la présence d'une cellule cancéreuse, laissant les cellules saines indemnes.
Maintenant, des chercheurs du Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont créé une nouvelle classe de matériaux intelligents. Il a la structure d'un matériau bidimensionnel (2D), mais se comporte comme un électrolyte et pourrait être une nouvelle façon d'administrer des médicaments dans le corps.
Tout comme les électrolytes traditionnels, ces nouveaux "électrolytes 2D" dissocient leurs atomes dans différents solvants, et se chargent électriquement. Par ailleurs, la disposition de ces matériaux peut être contrôlée par des facteurs externes, comme le pH et la température, ce qui est idéal pour l'administration ciblée de médicaments. Les électrolytes 2D sont également prometteurs pour d'autres applications qui nécessitent qu'un matériau soit réactif aux changements environnementaux, tels que les muscles artificiels et le stockage d'énergie.
L'équipe derrière les électrolytes 2D est dirigée par le professeur Antonio Castro Neto, Directeur du CA2DM, et composé de chercheurs du CA2DM, ainsi que le département de physique du NUS, et le Département de science et d'ingénierie des matériaux du NUS.
Leurs résultats ont été publiés dans Matériaux avancés le 12 mai 2021.
Modification du comportement des matériaux 2D
En science des matériaux, un matériau 2D est un matériau solide qui existe dans une seule couche d'atomes. Il peut être considéré comme une feuille atomiquement mince qui a une hauteur et une largeur spécifiques, mais effectivement pas de profondeur, Par conséquent, il est essentiellement bidimensionnel. D'autre part, un électrolyte est une substance qui produit une suspension électriquement conductrice lorsqu'elle est dissoute dans un solvant, comme l'eau.
Il existe aujourd'hui de nombreux matériaux 2D, et le comportement électrolytique a été bien établi dans d'innombrables autres composés. Cependant, les résultats des chercheurs du NUS montrent le premier exemple de matériaux qui ont à la fois une structure 2D et des propriétés d'électrolytes, avec une tendance particulière à se métamorphoser de manière réversible en milieu liquide. L'équipe NUS a réalisé cet exploit en utilisant des molécules organiques comme espèces réactives pour ajouter différentes fonctionnalités à des matériaux 2D tels que le graphène et le bisulfure de molybdène (MoS2).
"En ajoutant différents groupes chimiques qui se chargent électriquement positivement ou négativement dans les solvants, nous avons modifié les matériaux 2D traditionnels et avons proposé une nouvelle classe de matériaux intelligents dont les propriétés électroniques sont contrôlées par la conformation morphologique, " a expliqué le professeur Castro Neto.
Les méthodes utilisées par les chercheurs pour créer des électrolytes 2D ne sont que quelques exemples possibles parmi de nombreuses options potentielles, faisant de cette découverte un nouveau domaine de recherche passionnant à explorer.
En modifiant le pH des suspensions, les chercheurs du NUS ont démontré la capacité de la feuille d'électrolyte 2D à s'enrouler en un arrangement en forme de spirale. Ceci est similaire à la façon dont les polymères chargés électriquement subissent des transitions des chaînes moléculaires aux objets globulaires. Crédit :Université nationale de Singapour
D'une feuille plate à un rouleau enroulé
Une percée majeure de cette recherche était que l'orientation des électrolytes 2D pouvait changer de manière réversible en ajustant les conditions externes. Actuellement, la répulsion électrique entre la charge de surface dans un matériau 2D conduit à ce qu'il soit disposé dans une feuille plate. En modifiant le pH, la température, ou la concentration ionique des suspensions, les chercheurs du NUS ont démontré la capacité de la feuille d'électrolyte 2D à changer de forme et à former des arrangements en forme de spirale. Ces résultats expérimentaux sont étayés par une analyse théorique détaillée dans laquelle ils expliquent le mécanisme physique derrière la formation et la stabilité des volutes.
Ces orientations de défilement ont un diamètre si petit qu'elles pourraient être décrites comme unidimensionnelles (1D), conduisant à différentes propriétés physiques et chimiques. De plus, cette transition de 2D à 1D est réversible en modifiant les conditions externes à leurs valeurs d'origine
"On peut considérer les électrolytes 2D comme les analogues de dimension supérieure des électrolytes 1D, communément appelés polyélectrolytes, " a déclaré le professeur Castro Neto. Des exemples importants de polyélectrolytes comprennent de nombreux matériaux biologiquement pertinents, tels que l'ADN et l'ARN.
"Quand les acides, socles, ou des sels sont ajoutés, ces polymères chargés électriquement subissent également des transitions conformationnelles à partir de chaînes moléculaires 1D, aux objets globulaires de 0D, et vice versa. Nos électrolytes 2D, en analogie avec les polyélectrolytes, montrer les transitions réversibles du 2D au 1D, en fonction de facteurs externes. En tant que matériaux sensibles aux stimuli, ils sont adaptés à la création de technologies de pointe, " il ajouta.
Prochaines étapes
La découverte de cette classe de matériaux a ouvert de nouveaux domaines d'exploration pour les scientifiques des matériaux, puisqu'il rassemble deux domaines de recherche traditionnellement dissociés, à savoir, Matériaux 2D dans le domaine de la Physique, et électrolytes (dans le domaine de l'électrochimie).
« Il existe un nombre incalculable de façons de fonctionnaliser le graphène et d'autres matériaux 2D pour les transformer en électrolytes 2D. Nous espérons que nos travaux inspireront les scientifiques de différents domaines à explorer davantage les propriétés et les applications possibles des électrolytes 2D. Nous prévoyons que comme les électrolytes 2D ont des similitudes avec les systèmes biologiques ou naturels, ils sont capables de s'auto-assembler et de se réticuler spontanément pour former des nanofibres prometteuses pour des applications dans les membranes de filtration, l'administration de médicaments, et les e-textiles intelligents, " a expliqué le professeur Castro Neto.
