Après six ans d'efforts acharnés, un groupe de scientifiques des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison pense que leur percée dans la croissance de minuscules feuilles d'oxyde de zinc pourrait avoir d'énormes implications pour l'avenir de la fabrication de nanomatériaux - et à son tour, sur une multitude d'appareils électroniques et biomédicaux.

Le groupe, dirigé par Xudong Wang, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison, et chercheur postdoctoral Fei Wang, a développé une nouvelle technique pour synthétiser des nanofeuillets bidimensionnels à partir de composés qui ne forment pas naturellement les matériaux à couche atomique épaisse. C'est la première fois qu'une telle technique réussit, et les chercheurs ont décrit leurs découvertes 20, Janvier, 2016, dans la revue Communication Nature .

Essentiellement l'équivalent microscopique d'une seule feuille de papier, une nanofeuille 2D est un matériau qui n'est limité qu'à quelques couches atomiques dans une direction. Les nanomatériaux - des matériaux qui sont limités dans au moins une dimension à un maximum d'une poignée de couches atomiques - ont des propriétés physiques uniques qui modifient leurs propriétés électroniques et chimiques par rapport à leur composition identique mais conventionnelle, et plus grand, contreparties matérielles. "Ce qui est bien avec un nanomatériau 2D, c'est que parce que c'est une feuille, c'est beaucoup plus facile à manipuler pour nous par rapport à d'autres types de nanomatériaux, " dit Xudong Wang.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques des matériaux étaient limités à travailler avec des nanofeuilles 2D naturelles. Ces structures 2D naturelles comprennent le graphène, une seule couche de graphite, et un nombre limité d'autres composés. Développer une méthode fiable pour synthétiser et fabriquer des nanofeuilles 2D à partir d'autres matériaux est un objectif des chercheurs en matériaux et de l'industrie des nanotechnologies depuis des années.

Dans leur technique, l'équipe UW-Madison a appliqué un tensioactif spécialement formulé, une substance semblable à un détergent, sur la surface d'un liquide contenant des ions zinc. En raison de ses propriétés chimiques, le tensioactif s'assemble en une seule couche à la surface du liquide, avec des ions sulfate chargés négativement pointés dans la direction du liquide. Ces ions sulfate attirent les ions zinc chargés positivement de l'intérieur du liquide vers la surface, et en quelques heures, suffisamment d'ions zinc sont aspirés pour former des nanofeuillets d'oxyde de zinc continus de seulement quelques couches atomiques d'épaisseur.

Xudong Wang a d'abord eu l'idée d'utiliser un tensioactif pour faire pousser des nanofeuillets lors d'une conférence qu'il donnait dans un cours sur la nanotechnologie en 2009.

"Le cours comprend un cours magistral sur l'auto-assemblage de monocouches, " dit Xudong Wang. " Dans les bonnes conditions, un tensioactif s'auto-assemblera pour former une monocouche. C'est un processus bien connu que j'enseigne en classe. Donc, en enseignant cela, je me suis demandé pourquoi nous ne serions pas en mesure d'inverser cette méthode et d'utiliser d'abord la monocouche de tensioactif pour faire croître la face cristalline. »

Après cinq ans d'essais et d'erreurs avec différentes solutions de tensioactifs, l'idée a finalement porté ses fruits il y a environ un an.

"Nous sommes très enthousiasmés à ce sujet, " dit Xudong Wang. " C'est définitivement une nouvelle façon de fabriquer des nanofeuilles 2D, et il a un grand potentiel pour différents matériaux et pour de nombreuses applications différentes."

Les chercheurs ont déjà découvert que les nanofeuilles d'oxyde de zinc 2D qu'ils ont développées sont capables de fonctionner comme des transistors semi-conducteurs de type p, qui est le comportement électronique opposé de l'oxyde de zinc naturel. Les chercheurs tentent depuis un certain temps de produire de l'oxyde de zinc avec des propriétés semi-conductrices fiables de type p.

L'oxyde de zinc est un composant très utile des matériaux électroniques, et les nouvelles nanofeuillets ont un potentiel d'utilisation dans les capteurs, transducteurs et optoélectronique.

Mais les nanofeuillets d'oxyde de zinc ne sont que le premier de ce qui pourrait être une révolution dans les nanomatériaux 2D. Déjà, l'équipe UW-Madison applique sa méthode tensioactive à la croissance de nanofeuillets 2D d'or et de palladium, et la technique est prometteuse pour la croissance de nanofeuillets à partir de toutes sortes de métaux qui ne les formeraient pas naturellement.

"Cela apporte beaucoup de nouveaux matériaux fonctionnels à cette catégorie de matériaux 2D, ", dit Xudong Wang.