Joshua Robinson se souvient du jour en 2006 où il a entendu parler d'un matériau qui est, à toutes fins pratiques, bidimensionnel.

À l'époque, il a été chercheur post-doctoral au Naval Research Laboratory de Washington, D.C. Son conseiller, Éric Neige, était enthousiasmé par le graphène, une forme de carbone nouvellement isolée. Un cousin du buckminsterfullerene (ou "buckyballs") bien connu et des nanotubes de carbone, le graphène était une feuille plate d'une épaisseur d'un seul atome de carbone. Les atomes étaient liés les uns aux autres dans un hexagone, motif de grillage, formant un réseau aux propriétés étonnantes. C'était souple, transparent, et plus solide que l'acier. Il conduisait mieux l'électricité que le cuivre et la chaleur mieux que tout. En bref, le carbone sous cette forme ne se comportait plus comme du carbone. Il agissait comme un matériau entièrement nouveau.

Le graphène est devenu connu comme le premier bidimensionnel, ou monocouche, Matériel. En effet, à un tiers de milliardième de mètre d'épaisseur, c'est aussi proche du bidimensionnel qu'un objet tangible peut l'être. Le graphène est 300, 000 fois plus fin que le papier d'imprimante ordinaire. Si le papier était aussi épais qu'un immeuble de six étages est haut, le graphène serait l'épaisseur du papier d'origine.

Robinson était dans une position idéale pour reconnaître l'importance des matériaux bidimensionnels (2D). Il travaillait avec des nanotubes de carbone, en les adaptant pour détecter des quantités infimes de substances en suspension dans l'air, telles que celles émises par les armes chimiques et les engins explosifs.

"Le graphène était simplement un nanotube décompressé, " dit Robinson, qui est maintenant professeur adjoint et membre de la faculté Corning au Département de science et génie des matériaux, État de Penn. "Eric était tellement excité que je n'ai pas pu m'empêcher de commencer à lire sur le graphène, et est devenu instantanément accro - ce "nouveau matériel" semblait trop beau pour être vrai."

Pierres d'achoppement

Scientifiques, ingénieurs, et les investisseurs du monde entier sont devenus enthousiasmés par le graphène, en particulier son potentiel de révolutionner l'électronique. Le terme "post-silicium" a été inventé pour décrire cette nouvelle frontière, et en 2010, la découverte et la caractérisation initiale du graphène ont remporté le prix Nobel de physique.

Mais la transition de la découverte à l'application pratique s'est avérée pas si facile. Bien que les scientifiques des matériaux puissent créer une variété de nouveaux matériaux 2D en utilisant d'autres éléments et composés, ils ne pouvaient pas toujours prédire les propriétés de ces matériaux. Les morceaux minuscules ou même microscopiques de monocouche étaient difficiles à manipuler et à analyser, malgré leur force, ils étaient facilement déchirés et impossibles à fabriquer à l'échelle industrielle.

Ce dont le domaine avait besoin, c'était d'une compréhension plus approfondie des matériaux 2D et de leurs propriétés étranges. Pour relever ce défi, en 2013, le Materials Research Institute de Penn State a lancé le Center for Two Dimensional and Layered Materials (2DLM). Le centre regroupe une cinquantaine de professeurs, chercheurs postdoctoraux, et des étudiants de Penn State et d'autres institutions à travers le pays. C'est le premier centre de recherche à se concentrer non seulement sur le graphène mais « au-delà du graphène, " selon Robinson, directeur adjoint du centre. « Cela a vraiment aidé à attirer certains des meilleurs nouveaux professeurs du pays, ainsi que de nombreux étudiants très performants."

Blocs de construction

Le travail au centre aborde plusieurs grands thèmes, comme trouver de nouvelles façons de fabriquer des matériaux 2D et de combiner des monocouches faites de différents composés, développer des techniques pour analyser de nouveaux matériaux et leurs propriétés, comprendre comment l'architecture d'un matériau stratifié affecte ses propriétés, et transfert de technologie—recherche de brevets et recherche de produits commercialement viables.

Les scientifiques ici ont fabriqué de nouveaux matériaux monocouches en combinant une variété d'éléments, comme le tungstène ou le molybdène avec du soufre, gallium ou silicium avec sélénium, et du bore avec de l'azote.

Les techniques améliorées d'étude des matériaux 2D ont permis de prédire plus facilement quels composés formeront des monocouches et comment ils pourraient se comporter sous cette forme. Comme le graphène, ces matériaux présentent des propriétés que l'on ne voit pas dans leurs formes tridimensionnelles. Plusieurs d'entre eux, comme le bisulfure de molybdène, disulfure de tungstène, et une forme de nitrure de bore - sont des semi-conducteurs qui offrent la promesse d'une électronique ultra-petite. Certains sont photoluminescents, absorber la lumière d'une longueur d'onde et renvoyer l'énergie à une autre longueur d'onde. Ils pourraient devenir la base d'une nouvelle génération d'appareils qui détectent ou émettent de la lumière.

Certains produits à base de monocouche se dirigent maintenant vers des applications commerciales.

"J'ai vu, touché et utilisé des écrans plats utilisant du graphène comme conducteur, électrode transparente, " dit Mauricio Terrones, professeur de physique, chimie, et la science et l'ingénierie des matériaux, et directeur de la 2DLM. "Ce pourrait être le premier produit sur le marché. L'avantage du graphène est de fabriquer des panneaux plats flexibles, quelque chose qu'il n'est pas possible de faire avec la technologie actuelle."

Des projets majeurs visant à transformer ces technologies futuristes en réalités sont en cours à Penn State. La National Science Foundation (NSF) a récemment offert son soutien à trois des projets du centre avec plus de 4 millions de dollars en subventions de recherche. Le groupe Robinson développe un nouveau type de transistor post-silicium, ouvrant la voie à une électronique toujours plus petite. Joan Aile Rouge, professeur de science et génie des matériaux, et son équipe travaillent sur des moyens de créer des matériaux bidimensionnels à basse température, rendre la production plus réalisable pour l'industrie et permettre aux matériaux de se former sur le verre et le plastique. Zhiwen Liu, professeur de génie électrique, et Ana Laura Elias Arriaga, attaché de recherche en physique, travaillent avec des collègues du Rensselaer Polytechnic Institute pour développer des matériaux stratifiés à utiliser dans les technologies basées sur la lumière.

Empiler des monocouches

Terrones et Robinson pensent que la clé du succès dans leur domaine sera de combiner différents types de monocouches. Le groupe de Robinson a travaillé avec d'autres professeurs de Penn State et des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas pour induire différents matériaux bidimensionnels à se former directement les uns sur les autres.

"En faisant cela, nous avons pu réaliser des interfaces vraiment propres entre les couches, ", dit Robinson. "C'est une clé pour les nouveaux circuits nanoélectroniques."

Comme pour les matériaux stratifiés constitués d'un seul composé, ces matériaux « hybrides » présentent souvent des comportements inattendus et potentiellement utiles. Deux de ces matériaux ont été fabriqués dans le laboratoire de Pulickel Ajayan, un membre 2DLM à Rice University, puis envoyé à Terrones pour analyse.

Dans une tentative de fabriquer les matériaux à des températures plus basses que jamais auparavant, une avancée qui faciliterait la production de masse, L'équipe d'Ajayan avait par inadvertance provoqué l'établissement de nouvelles relations entre deux matériaux familiers.

A une température, le disulfure de tungstène forme une couche au-dessus d'une couche de bisulfure de molybdène. Dans cette configuration, les matériaux combinés fonctionnent comme un transistor. A une autre température, les deux matériaux formaient des couches côte à côte dans le même plan.

"C'est comme avoir deux tissus différents réunis, mais à la jointure les deux tissus ne font qu'un, " dit Terrones. Dans la configuration bord à bord, la jonction entre les deux tissus est un lieu de rencontre où les électrons et les photons font passer de l'énergie dans les deux sens.

« Nous découvrons maintenant que ces matériaux pourraient avoir des utilisations importantes en tant que photo-capteurs très rapides et sensibles ou même dispositifs électroluminescents, " dit Terrones.

L'ouest sauvage'

Avec des découvertes similaires se produisant presque chaque semaine, les prédictions de nouveaux produits étonnants à venir sont de retour. Cette fois, l'excitation a une base solide de science fondamentale - et cette fois, les scientifiques et les ingénieurs regardent au-delà de l'objectif initial de transformer le graphène en un nouveau type de matériau semi-conducteur.

"Il est probable que le graphène et d'autres matériaux 2D seront des composants importants des appareils électroniques portables, " dit Terrones. " Je prévois également que nous verrons ces matériaux dans des revêtements « intelligents » qui changent de propriétés suite à un stimulus externe. " Les revêtements 2D pourraient combattre la rouille et les bactéries. Ils pourraient servir de détecteurs sensibles de la qualité de l'air. Ils pourraient même décourager les balanes de l'encrassement des coques de bateaux. Les possibilités semblent illimitées.

Robinson est d'accord.

"Les matériaux bidimensionnels sont bien plus qu'un substitut au silicium, " dit-il. " L'élément clé de la '2D', c'est que c'est comme le Far West en ce moment. Il existe un nombre presque inimaginable d'applications potentielles. Mais nous devons d'abord comprendre leurs propriétés de base pour être en mesure d'identifier au mieux les applications qui bénéficieront de ces nouveaux matériaux. »