Un laser brille à travers une solution de nanomatériau 2D encore en dissolution, montrant qu'il y a des particules dans le liquide (à gauche). Lorsqu'une goutte de la solution est séchée, les nanofeuilles encore en dissolution s'empilent en différentes formes de tuiles (à droite). Lorsqu'il est laissé à dissoudre complètement, seules les feuilles à une seule couche sont trouvées. Crédit :Patrick Cullen et al.
Des nanomatériaux bidimensionnels (2D) ont été fabriqués en dissolvant des matériaux en couches dans des liquides, selon une nouvelle recherche menée par l'UCL. Les liquides peuvent être utilisés pour appliquer les nanomatériaux 2D sur de grandes surfaces et à faible coût, permettant une variété d'applications futures importantes.
nanomatériaux 2D, comme le graphène, ont le potentiel de révolutionner la technologie grâce à leurs propriétés physiques remarquables, mais leur traduction dans des applications du monde réel a été limitée en raison des défis liés à la fabrication et à la manipulation de nanomatériaux 2D à l'échelle industrielle.
La nouvelle approche, publié aujourd'hui dans Chimie de la nature , produit des couches uniques de nombreux nanomatériaux 2D de manière évolutive. Les chercheurs ont utilisé la méthode sur une grande variété de matériaux, y compris ceux ayant des propriétés semi-conductrices et thermoélectriques, pour créer des matériaux 2D qui pourraient être utilisés dans des cellules solaires ou pour transformer l'énergie thermique gaspillée en énergie électrique, par exemple.
"Les nanomatériaux 2D ont des propriétés exceptionnelles et une taille unique, ce qui suggère qu'ils pourraient être utilisés dans tout, des écrans d'ordinateur aux batteries en passant par les textiles intelligents. De nombreuses méthodes de fabrication et d'application de nanomatériaux 2D sont difficiles à mettre à l'échelle ou peuvent endommager le matériau, mais nous avons réussi à résoudre certains de ces problèmes. Espérons que notre nouveau processus nous aidera à réaliser le potentiel des nanomatériaux 2D à l'avenir, " a expliqué le directeur de l'étude, le Dr Chris Howard (UCL Physics &Astronomy).
Pour l'étude, financé par la Royal Academy of Engineering et le Engineering and Physical Sciences Research Council, les scientifiques ont inséré des ions lithium et potassium chargés positivement entre les couches de différents matériaux, dont le tellurure de bismuth (Bi2Te3), le bisulfure de molybdène (MoS2) et le bisulfure de titane (TiS2), donnant à chaque couche une charge négative et créant un « sel matériel en couches ».
Au fur et à mesure que la solution de nanomatériau 2D encore en dissolution est séchée, les nanofeuillets s'empilent en différentes formes de tuiles (à droite). Lorsqu'il est laissé à dissoudre complètement, seules les feuilles à une seule couche sont trouvées. Crédit :Patrick Cullen et al.
Ces sels de matériaux stratifiés ont ensuite été doucement dissous dans des solvants sélectionnés sans utiliser de réactions chimiques ni d'agitation. Cela a donné des solutions de feuilles de nanomatériaux 2D avec la même forme que le matériau de départ mais avec une charge négative.
Les scientifiques ont analysé le contenu des solutions en utilisant la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à transmission pour étudier la structure et l'épaisseur des nanomatériaux 2D. Ils ont découvert que les matériaux stratifiés se dissolvaient en de minuscules feuilles de tissu propre, en bon état, couches simples, isolé dans les solutions.
L'équipe de l'UCL, Université de Bristol, Cambridge Graphene Center et École Polytechnique Fédérale de Lausanne, ont pu démontrer que même les feuilles de nanomatériaux 2D, comprenant des millions d'atomes, fait des solutions stables plutôt que des suspensions.
"Nous ne nous attendions pas à ce qu'une telle gamme de nanomatériaux 2D forme une solution lorsque nous avons simplement ajouté le solvant au sel - les sels de matériaux en couches sont gros mais se dissolvent dans un liquide similaire au sel de table dans l'eau. Le fait qu'ils forment un liquide avec leur charge négative, les rend faciles à manipuler et à utiliser à grande échelle, ce qui est scientifiquement intrigant mais aussi pertinent pour de nombreuses industries, " a déclaré le premier auteur, le Dr Patrick Cullen (UCL Chemical Engineering).
"Nous avons montré qu'ils peuvent être peints sur des surfaces et, quand on laisse sécher, peuvent s'arranger dans différentes formes carrelées, ce qui n'a jamais été vu auparavant. Ils peuvent également être plaqués sur des surfaces de la même manière que l'or est utilisé pour plaquer des métaux. Nous sommes impatients de fabriquer différents nanomatériaux 2D en utilisant notre processus et de les essayer dans différentes applications car les possibilités sont presque infinies, " a-t-il conclu.
UCL Business PLC (UCLB), la société de commercialisation de la technologie de l'UCL a breveté cette recherche et soutiendra le processus de commercialisation.
