Jeffrey Grossman pense que nous avons tout faux sur le charbon. Au lieu de simplement mettre le feu, ignorant ainsi la complexité moléculaire de ce matériau très varié, il dit, nous devrions exploiter la valeur réelle de cette diversité et de cette chimie complexe. Le charbon pourrait devenir la base des panneaux solaires, piles, ou appareils électroniques, lui et son équipe de recherche disent.

Comme première démonstration de ce qu'ils considèrent comme un large éventail d'utilisations high-tech potentielles pour ce matériau traditionnellement low-tech, Homme dégoutant, doctorant Brent Keller, et le chercheur Nicola Ferralis ont réussi à fabriquer un appareil de chauffage électrique simple qui pourrait être utilisé pour dégivrer les vitres des voitures ou les ailes d'avion, ou dans le cadre d'un implant biomédical. En développant cette première application, ils ont aussi pour la première fois caractérisé en détail le produit chimique, électrique, et les propriétés optiques des couches minces de quatre types de charbon différents :anthracite, lignite, et deux types bitumineux. Leurs découvertes viennent d'être publiées dans la revue Lettres nano .

« Quand vous considérez le charbon comme un matériau, et pas seulement comme quelque chose à brûler, la chimie est extrêmement riche, " dit Grossman, le professeur Morton et Claire Goulder et famille en systèmes environnementaux au Département de science et génie des matériaux (DMSE). La question qu'il voulait poser est, « Pourrions-nous tirer parti de la richesse de la chimie dans des choses comme le charbon pour fabriquer des appareils dotés de fonctionnalités utiles ? » La réponse, il dit, est un oui retentissant.

Il s'avère, par exemple, que les variétés de charbon naturelles, sans la purification ou le raffinage nécessaires à la fabrication d'appareils électroniques en silicium, ont une gamme de conductivités électriques qui s'étend sur sept ordres de grandeur (dix millions de fois). Cela signifie qu'une variété donnée de charbon pourrait fournir intrinsèquement les propriétés électriques nécessaires à un composant particulier.

Concevoir un processus

Une partie du défi consistait à déterminer comment traiter le matériau, dit Grossman. Pour ça, Keller a développé une série d'étapes pour écraser le matériau en poudre, le mettre en solution, puis le déposer en couches minces uniformes sur un substrat, étape nécessaire à la fabrication de nombreux appareils électroniques, des transistors au photovoltaïque.

Même si le charbon est l'une des substances les plus largement utilisées par les êtres humains depuis des siècles, ses propriétés électroniques et optiques en vrac n'avaient jamais vraiment été étudiées dans le cadre de dispositifs avancés.

"Le matériau n'a jamais été abordé de cette façon auparavant, " dit Keller, qui a réalisé une grande partie des travaux dans le cadre de sa thèse de doctorat en DMSE, "pour savoir quelles sont les propriétés, quelles caractéristiques uniques il pourrait y avoir." Pour ce faire, il a développé une méthode pour faire des films minces, qui pourraient ensuite être testés en détail et utilisés pour la fabrication de dispositifs.

Même ce nouveau, la caractérisation détaillée qu'ils ont effectuée n'est que la pointe d'un large iceberg, dit l'équipe. Les quatre variétés sélectionnées ne sont que quelques-unes des centaines qui existent, tous avec des différences significatives probables. Et préparer et tester les échantillons était, dès le début, un processus inhabituel pour les scientifiques des matériaux. "Nous voulons généralement fabriquer des matériaux à partir de zéro, combinant soigneusement des matériaux purs dans des proportions précises, " dit Ferralis, également en DMSE. Dans ce cas, bien que, le processus consiste à « sélectionner parmi cette immense bibliothèque de matériaux, " tous avec leurs propres variantes.

Utiliser la complexité de la nature

Alors que le charbon et d'autres combustibles fossiles ont longtemps été utilisés comme matières premières pour l'industrie chimique, faire de tout, des plastiques aux colorants et solvants, traditionnellement, le matériau a été traité comme les autres types de minerai brut :quelque chose à raffiner en ses constituants de base, atomes, ou des molécules simples, qui sont ensuite recombinés pour former le matériau souhaité. En utilisant les chimies que la nature a fournies, tels qu'ils sont, est une nouvelle approche inhabituelle. Et les chercheurs ont découvert qu'en ajustant simplement la température à laquelle le charbon est traité, ils pourraient régler de nombreuses propriétés optiques et électriques du matériau exactement aux valeurs souhaitées.

Le simple appareil de chauffage que l'équipe a fabriqué comme preuve de principe fournit une démonstration de bout en bout de l'utilisation du matériau, du broyage du charbon, à le déposer sous forme de film mince et à en faire un appareil électronique fonctionnel. Maintenant, ils disent, les portes sont ouvertes pour une grande variété d'applications potentielles grâce à des recherches plus poussées.

Le gros avantage potentiel du nouveau matériau, Grossman dit, est son faible coût dû au matériau de base intrinsèquement bon marché, combiné avec un traitement de solution simple qui permet de faibles coûts de fabrication. Une grande partie des dépenses associées au silicium ou au graphène de qualité puce, par exemple, est dans la purification des matériaux. Silice, la matière première des puces de silicium, est bon marché et abondant, mais la forme hautement raffinée nécessaire à l'électronique (généralement pure à 99,999% ou plus) ne l'est pas. L'utilisation de charbon en poudre pourrait fournir un avantage significatif pour de nombreux types d'applications, grâce à l'accordabilité de ses propriétés, sa haute conductivité, et sa robustesse et sa stabilité thermique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.