(Phys.org) — Les scientifiques ont développé un nanomatériau prometteur qui peut être adaptable pour une utilisation dans un large éventail d'applications. Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et de l'Institut Max Planck des Colloïdes et Interfaces à Potsdam-Golm a développé une méthode élégante pour produire des nanocouches de carbone auto-organisées et les équiper chimiquement d'une gamme de les fonctions. On pense que de telles nanocouches de carbone fonctionnalisées conviennent à diverses applications. Par exemple, ils pourraient agir comme des revêtements qui rendent les surfaces à la fois anti-rayures et anti-salissures, ou comme capteurs pour la détection de quantités extrêmement faibles de substances. La conductivité électrique des couches de carbone les rend également aptes à être utilisées comme composants électroniques dans diverses applications.

Dans la technologie de demain, quelque chose d'inconcevablement petit pourrait bien devenir un géant. Les scientifiques étudient de nombreuses variantes de nanomatériaux, à savoir des substances dont les dimensions sont de l'ordre de 100 nanomètres. Le préfixe nano vient du mot grec pour nain, et se réfère à un milliardième partie. Ainsi, un nanomètre est un milliardième de mètre. Les scientifiques sont très attachés à un matériau particulier qui se présente dans ces dimensions :les nanocouches de carbone. Ce sont des couches d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles de quelques nanomètres d'épaisseur, voire moins. Les nanocouches de carbone les plus minces imaginables de ce type sont les graphènes, qui se composent d'une seule couche de carbone.

Pour de nombreuses applications, il serait important de pouvoir équiper ces feuilles de carbone ultra-minces de certains résidus de molécules chimiques, appelés groupes fonctionnels. "Cela n'a été possible que dans une mesure limitée jusqu'à présent, car les nanofeuilles de carbone ne peuvent généralement être préparées qu'à des températures extrêmement élevées - et, donc, dans des conditions qui détruiraient immédiatement ces groupes fonctionnels, " explique Gerald Brezesinski du Max Planck Institute of Colloids and Interfaces à Golm près de Potsdam. Avec des collègues de son institut, Brezesinski a accompagné des chercheurs de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) dans le développement d'une approche de synthèse qui pourrait être intéressante dans ce contexte. En utilisant cette méthode, nanocouches de carbone, y compris les groupes fonctionnels, pourrait être accessible à des températures considérablement plus basses que celles habituellement appliquées dans la production de tels matériaux.

Plonger profondément dans le sac d'astuces chimiques

Pour former une structure plane à partir d'atomes de carbone, les chercheurs suisses ont déployé une série d'astuces. L'une des principales concernait le composé de départ sélectionné, une molécule dont la section médiane a six liaisons triples et simples carbone-carbone alternées. Ces sections sont constituées exclusivement d'atomes de carbone et sont très réactives, car ils peuvent également subir des réactions chimiques à des températures plus basses. Contrairement à d'autres processus, cela signifie que de fines couches de carbone peuvent être produites à partir de ces molécules à température ambiante.

En utilisant une configuration de test spéciale, les scientifiques se sont arrangés pour que bon nombre de ces molécules s'alignent parfaitement parallèlement les unes aux autres en une seule couche auto-organisée, comme les poils d'un pinceau. Cependant, il y avait une petite différence avec les poils de la brosse :les chaînes parallèles de molécules avaient chacune une légère courbure. À la suite de cet arrangement, les sections riches en carbone de toutes les molécules étaient situées au même niveau. Lorsque les chercheurs ont appliqué la lumière UV à cette configuration, certaines des triples liaisons se sont rompues et des liaisons se sont formées à la place entre les atomes de carbone des molécules voisines. Parce que presque tous les poils ont été ainsi finalement liés à leurs poils voisins, une couche cohérente d'atomes de carbone est apparue - une nanocouche de carbone.

Pour permettre à tout cela de se produire, les scientifiques basés à Lausanne ont clairement dû creuser profondément dans la boîte d'astuces chimiques pour la conception du précurseur moléculaire. Afin d'assurer l'arrangement parallèle de leurs molécules, ils ont conçu des molécules de type tensioactif, similaires à ceux trouvés dans le liquide vaisselle. Alors qu'une extrémité de ces molécules se dissout bien dans l'eau, l'autre ne se dissout pas du tout. Entre ces deux extrémités, les scientifiques ont placé les triples liaisons réactives.

Quand ils ont mis leur composé en contact avec de l'eau à ce stade, une seule extrémité de la molécule dissoute. Tout le résidu restant était si insoluble qu'il dépassait de la surface dans l'air. Les chercheurs ont réussi à établir délibérément une distance uniforme entre les poils moléculaires individuels. Au niveau des triples liaisons, celui-ci devait être inférieur à 0,4 nanomètre, car les atomes de carbone voisins sont seulement assez proches les uns des autres dans ce cas pour former de nouvelles liaisons entre eux sous la lumière UV.

Succès du processus de synthèse confirmé par une analyse hautement spécialisée

Pour les scientifiques, il était important de comprendre à quoi ressemblait la couche moléculaire le long de la frontière eau-air, et comment cela a changé au cours de la réaction. Des méthodes spéciales sont entrées en jeu ici, qui font partie du répertoire de Gerald Brezesinski et de son groupe de recherche au Max Planck Institute of Colloids and Interfaces à Potsdam. Par exemple, pour détecter la position des atomes concernés dans la couche limite – et donc également la disposition exacte des molécules de départ – les chercheurs ont utilisé des faisceaux de rayons X à haute énergie du synchrotron DESY à Hambourg. La manière dont ces faisceaux ont été dispersés ou réfléchis sur la couche d'échantillon ultra-fine a finalement fourni à Gerald Brezesinski et à sa collègue Cristina Stefaniu, qui travaille maintenant à l'Université de Potsdam, avec des informations sur l'arrangement exact des molécules de départ.

Avec l'aide de la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption, les scientifiques ont ensuite réussi à retracer la réaction réelle lors de l'irradiation UV. Pour faire ça, ils ont mesuré comment le signal caractéristique des triples liaisons diminuait continuellement au cours de la réaction. Une technique très spéciale utilisée par les chercheurs de Potsdam a été utile ici. Les influences perturbatrices des molécules d'eau présentes n'ont pu être masquées qu'à l'aide de cette technique. "Il n'y a que quelques groupes de recherche dans le monde qui peuvent rendre visible ce type de spectroscopie infrarouge dans de telles couches, " souligne Gérald Brezesinski.

Les techniques spéciales utilisées par les chercheurs de Max Planck basés à Potsdam se sont également avérées utiles pour caractériser le produit résultant. Ceux-ci comprenaient, par exemple, la microscopie à angle de Brewster, qui a été développé il y a environ 20 ans à l'Institut Max Planck de chimie biophysique à Göttingen. A l'aide de ce microscope, les chercheurs ont pu montrer que le produit était une couche lisse très homogène, qui fait au total deux nanomètres d'épaisseur - et, donc, en fait une nanocouche de carbone.

Gerald Brezesinski du Max Planck Institute of Colloids and Interfaces à Potsdam s'est également félicité de ce succès :« Cela signifie qu'il est en fait possible de concevoir des molécules de type tensioactif d'une manière qui permet leur utilisation dans la synthèse d'une couche de carbone sur un surface de l'eau. Nous avons pu le prouver à l'aide de nos méthodes.

Point de départ pour les « nanocouches de carbone fonctionnelles »

A la fin du processus de synthèse, les extrémités des molécules de départ dépassaient encore de la nanocouche - l'extrémité soluble dans l'eau d'un côté et l'extrémité insoluble de l'autre. Ce facteur particulier est extrêmement important pour les chercheurs, car il crée la possibilité d'attacher des groupes chimiques à l'extrémité avant la synthèse qui donnera à la nanocouche de carbone suivante une fonction spéciale. Les appendices chimiques résisteraient au processus de production doux sans dommages, et serait également conservé dans la nanocouche de carbone résultante.

De cette façon, par exemple, il serait possible d'ancrer d'un côté des groupements chimiques qui supporteraient plus tard la connexion à certaines surfaces en verre ou en métal. Des groupes pourraient également être attachés de l'autre côté, ce qui rendrait la couche anti-salissure. La couche de carbone elle-même rendrait également la surface très résistante aux rayures. Des nanocapteurs chimiques pourraient également être construits à partir de telles couches ultrafines. À cette fin, des groupes chimiques pourraient être intégrés dans les molécules de départ qui assureront plus tard l'interaction avec la substance ou le groupe de substances à mesurer. La conductivité électrique élevée des nanocouches de carbone pourrait alors être utilisée pour la transmission des signaux de mesure. Les chercheurs de Lausanne et de Potsdam espèrent donc que leur procédé innovant de production de nanocouches de carbone auto-organisées et fonctionnelles ouvrira la voie à un grand nombre de nouvelles applications intéressantes.