Une nouvelle méthode de fabrication des matériaux, développé par les ingénieurs de l'Université Drexel, permet de « prendre en sandwich » des couches disparates d'éléments. Crédit :Université Drexel
Les scientifiques dont le travail est de tester les limites de ce que la nature - en particulier la chimie - permettra d'exister, venez de vous installer sur de nouveaux biens immobiliers sur le tableau périodique. En utilisant une méthode qu'ils ont inventée pour joindre des couches élémentaires disparates en un matériau stable avec un uniforme, propriétés prévisibles, Les chercheurs de l'Université Drexel testent une gamme de nouvelles combinaisons qui peuvent considérablement étendre les options disponibles pour créer plus rapidement, plus petite, stockage d'énergie plus efficace, électronique de pointe et matériaux résistants à l'usure.
Dirigé par le chercheur postdoctoral Babak Anasori, Doctorat, une équipe du département de science et ingénierie des matériaux de Drexel a créé la méthode de fabrication des matériaux, qui peut prendre en sandwich des feuilles d'éléments 2D qui, autrement, ne pourraient pas être combinées de manière stable. Et ils ont prouvé son efficacité en créant deux tout nouveaux, matériaux bidimensionnels stratifiés utilisant du molybdène, titane et carbone.
"En prenant en sandwich une ou deux couches atomiques d'un métal de transition comme le titane, entre des couches monoatomiques d'un autre métal, comme le molybdène, avec des atomes de carbone qui les maintiennent ensemble, nous avons découvert qu'un matériau stable peut être produit, " Anasori a déclaré. " Il était impossible de produire un matériau 2-D ayant seulement trois ou quatre couches de molybdène dans de telles structures, mais parce que nous avons ajouté la couche supplémentaire de titane comme connecteur, nous avons pu les synthétiser."
La découverte, qui vient d'être publié dans la revue ACS Nano , est important car il représente une nouvelle façon de combiner des matériaux élémentaires pour former les éléments constitutifs de la technologie de stockage d'énergie, tels que les batteries, condensateurs et supercondensateurs, ainsi que des composites super résistants, comme ceux utilisés dans les étuis de téléphone et les gilets pare-balles. Chaque nouvelle combinaison de couches d'épaisseur atomique présente de nouvelles propriétés et les chercheurs soupçonnent que l'une, ou plus, de ces nouveaux matériaux présentera des propriétés de stockage d'énergie et de durabilité si disproportionnées par rapport à sa taille qu'elle pourrait révolutionner la technologie à l'avenir.
"Bien qu'il soit difficile à dire, À ce point, que vont devenir exactement ces nouvelles familles de matériaux 2D que nous avons découvertes, on peut dire sans se tromper que cette découverte permet au domaine de la science des matériaux et des nanotechnologies de s'aventurer sur un territoire inexploré, " dit Anasori.
Maîtriser les matériaux
Combiner des feuilles d'éléments bidimensionnelles de manière organisée pour produire de nouveaux matériaux est l'objectif des chercheurs de Drexel en nanomatériaux depuis plus d'une décennie. Imposer ce type d'organisation au niveau atomique n'est pas une tâche facile.
« En raison de leur structure et de leur charge électrique, certains éléments n'aiment tout simplement pas être combinés, " a déclaré Anasori. " C'est comme essayer d'empiler des aimants avec les pôles orientés dans la même direction - vous n'allez pas avoir beaucoup de succès et vous allez ramasser beaucoup d'aimants volants. "
Les ingénieurs de l'Université Drexel ont créé un matériau en couches de molybdène et de titane en utilisant un nouveau processus qu'ils ont inventé pour graver une phase MAX en un bidimensionnel, MXene en couches. Crédit :Université Drexel
Mais les chercheurs de Drexel ont trouvé un moyen astucieux de contourner ce défi de la chimie. Cela commence par un matériau appelé phase MAX, qui a été découvert par le professeur distingué Michel W. Barsoum, Doctorat, chef du groupe de recherche MAX/MXene, il y a plus de deux décennies. Une phase MAX est comme le limon primordial qui a généré les premiers organismes - tous les éléments du produit fini sont dans la phase MAX, en attendant que les chercheurs imposent un certain ordre.
Cette ordonnance a été imposée par Michel W. Barsoum, PhD et Yury Gogotsi, Doctorat, Distinguished University and Trustee Chair professeur au College of Engineering et chef du Drexel Nanomaterials Group, quand ils ont créé une écurie pour la première fois, bidimensionnel, matériau en couches appelé MXene en 2011.
Pour créer MXenes, les chercheurs extraient sélectivement des couches d'atomes d'aluminium d'un bloc de phase MAX en les décapant avec un acide.
« Pensez à la synthèse du MXene comme à la séparation des couches de bois en plongeant une feuille de contreplaqué dans un produit chimique qui dissout la colle, " dit Anasori. " En mettant une phase MAX dans l'acide, nous avons pu graver sélectivement certaines couches et transformer la phase MAX en de nombreuses feuilles 2D minces, que nous appelons MXenes."
En ce qui concerne les matériaux de stockage d'énergie, MXenes a été une révélation. Avant leur découverte, graphène, qui est une feuille unique d'atomes de carbone, a été le premier matériau bidimensionnel à être vanté pour ses capacités potentielles de stockage d'énergie. Mais, comme il n'était composé que d'un seul élément, carbone, le graphène était difficile à modifier dans sa forme et avait donc des capacités de stockage d'énergie limitées. Les nouveaux MXenes ont des surfaces qui peuvent stocker plus d'énergie.
Une impasse élémentaire
Quatre ans plus tard, les chercheurs ont parcouru la section du tableau périodique avec des éléments appelés "métaux de transition, " produire des phases MAX et les graver en MXènes de différentes compositions tout en testant leurs propriétés de stockage d'énergie.
La nouvelle méthode des chercheurs pour fabriquer des matériaux bidimensionnels permet de combiner pour la première fois plusieurs couches différentes d'éléments.
La découverte d'Anasori intervient à un moment où le groupe a rencontré un obstacle sur sa progression dans la table des éléments.
"On était un peu dans l'impasse, en essayant de produire un molybdène contenant des MXènes, " a déclaré Anasori. " En ajoutant du titane au mélange, nous avons réussi à faire une phase ordonnée de molybdène MAX, où les atomes de titane sont au centre et le molybdène à l'extérieur.
La prochaine frontière
Maintenant, à l'aide de calculs théoriques effectués par des chercheurs du FIRST Energy Frontier Research Center du Oak Ridge National Laboratory, L'équipe de Drexel le sait, en principe, il peut utiliser cette méthode pour fabriquer jusqu'à 25 nouveaux matériaux avec des combinaisons de métaux de transition, comme le molybdène et le titane, cela n'aurait pas été tenté auparavant.
Les chercheurs de Drexel ont fabriqué plusieurs nouveaux matériaux MXene en couches et prédisent qu'ils peuvent créer jusqu'à 25 nouvelles combinaisons en utilisant leur nouvelle méthode de "sandwichage" atomique.
« Avoir la possibilité de superposer différents éléments sur la forme de matériau la plus fine connue de la communauté scientifique conduit à de nouvelles structures passionnantes et permet un contrôle sans précédent sur les propriétés des matériaux, " a déclaré Barsoum. " Cette nouvelle méthode de superposition offre aux chercheurs un nombre inimaginable de possibilités pour régler les propriétés des matériaux pour une variété d'applications de haute technologie. "
Anasori prévoit de fabriquer plus de matériaux en remplaçant le titane par d'autres métaux, comme le vanadium, niobium, et tantale, ce qui pourrait dénicher une veine de nouvelles propriétés physiques qui soutiennent le stockage d'énergie et d'autres applications.
« Ce niveau de complexité structurelle, ou la superposition, dans les matériaux 2-D a le potentiel de conduire à de nombreuses nouvelles structures avec un contrôle unique sur leurs propriétés, " a déclaré Gogotsi. " Nous voyons des applications possibles en thermoélectrique, piles, catalyse, cellules solaires, appareils électroniques, composites structuraux et bien d'autres domaines, permettant un nouveau niveau d'ingénierie à l'échelle atomique."
