Le matériau le plus résistant connu de l'humanité a d'abord été découvert avec du ruban adhésif. Aujourd'hui, cette version bidimensionnelle (2D) du carbone connue sous le nom de graphène fait l'objet d'intenses recherches à travers le monde. Beaucoup espèrent que ses propriétés uniques pourraient conduire à des percées dans des domaines allant de l'électronique à la médecine.

Par 2-D, nous entendons qu'il est constitué d'une seule couche d'atomes. Dans le cas du graphène, ceux-ci sont disposés selon un motif hexagonal qui contribue à le rendre incroyablement solide. Il conduit également l'électricité et la chaleur à des niveaux sans précédent, est imperméable aux gaz et peut être à la fois cassant et ductile.

Pourtant, alors que le graphène a reçu une attention incroyable et a valu à ses découvreurs un prix Nobel, il n'est plus seul dans le monde des matériaux 2D. De nombreux autres matériaux similaires ont depuis été prédits et isolés, chacun avec des propriétés structurelles similaires au graphène mais aussi une variété de caractéristiques individuelles uniques.

En réalité, il y a tellement de matériaux 2D avec une si grande variété de propriétés que nous pouvons les utiliser efficacement pour concevoir et construire de nouveaux matériaux 3D avec les caractéristiques exactes que nous voulons. Cette idée d'un "ensemble Lego" à l'échelle atomique crée des possibilités potentiellement infinies pour de nouvelles substances.

Théoriquement, presque n'importe quel matériau 3D peut avoir une contrepartie 2D. La liste comprend jusqu'à présent :le silicène (une seule couche de silicium), phosphorène (une seule couche de phosphore noir), et diverses monocouches de composés chimiques appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), tels que le bisulfure de molybdène (MoS₂) et le ditellurure de molybdène (MoTe₂). Des recherches sont en cours sur probablement des dizaines de méthodes pour isoler ces matériaux. Les deux principales méthodes utilisées sont l'exfoliation mécanique - qui était la première méthode utilisée pour fabriquer du graphène en isolant des couches individuelles avec du ruban adhésif - et en faisant croître efficacement une couche de cristaux 2D directement sur une base plate.

En pratique, cependant, il existe de nombreuses limitations à ce qui est actuellement possible. Seuls les matériaux très stables thermiquement et chimiquement peuvent être séparés en monocouches, qui écarte immédiatement de nombreux éléments. Et, une fois isolé, de nombreuses monocouches métalliques en particulier ont tendance à se corroder ou à s'oxyder d'une manière qui détruit leurs propriétés souhaitées.

Une fois que vous avez un matériau 2D, vous pouvez ensuite le superposer avec d'autres substances aux propriétés chimiques très différentes pour créer des "hétérostructures". Par exemple, nous pouvons combiner des semi-conducteurs avec des aimants, ou des métaux avec des supraconducteurs. La liste des combinaisons possibles s'allonge de façon exponentielle.

Ceux-ci peuvent être adaptés avec une précision atomique à l'aide de microscopes à effet tunnel. Ces méthodes consistent à générer un courant électrique entre une surface et la pointe de la sonde atomiquement fine pour capter et déplacer des atomes individuels. L'une de ces hétérostructures 2-D qui a été fabriquée en laboratoire combine des monocouches atomiques de graphène et de nitrure de bore hexagonal (h-BN).

Des fonctionnalités entièrement nouvelles

Les matériaux 2D et les hétérostructures ont déjà trouvé de nombreuses applications réelles et potentielles dans un large éventail de domaines. Par exemple, le graphène a rendu possible le rêve d'« imprimer » des circuits sur des bases plastiques souples, au moins dans un laboratoire. À l'avenir, cela pourrait conduire à des produits de consommation tels que des téléviseurs flexibles, smartphones et appareils portables plus conviviaux.

La découverte d'une multitude d'autres matériaux 2D a ouvert des voies presque infinies pour combiner différentes propriétés, ce qui pourrait grandement améliorer ou accélérer le développement de ces applications. Par exemple, l'utilisation du h-BN comme base de l'électronique au graphène au lieu du dioxyde de silicium traditionnel pourrait atténuer certains des problèmes liés à la technologie. Parce que les monocouches h-BN sont ultra-plates et peuvent être isolées de la même manière que le graphène, il est possible de supprimer les défauts atomiques de la base qui interfèrent avec les propriétés de la feuille de graphène.

Par ailleurs, les progrès de la recherche sur les matériaux 2D permettent une nouvelle façon de rendre les processeurs informatiques encore plus rapides ; quelque chose qui est considéré comme vital pour maintenir le progrès de la technologie électronique. Les puces informatiques effectuent leurs calculs en utilisant un grand nombre de transistors, dont chacun fonctionne en déplaçant des électrons entre différentes couches de matériau semi-conducteur. Avoir plus d'un type de matériau 2D signifie que vous pouvez les utiliser pour rendre chacune des différentes couches semi-conductrices d'une épaisseur d'un seul atome. Au fur et à mesure que les transistors deviennent plus petits, plus d'entre eux peuvent être placés sur chaque puce informatique, et cela conduit alors naturellement à la production de processeurs plus rapides.

Nous pourrions également voir du graphène et d'autres matériaux 2D utilisés pour aider à générer et à stocker de l'énergie. Par exemple, Les hétérostructures à base de graphène peuvent être utilisées pour aider à créer des piles solaires et à combustible hautement efficaces et flexibles. Ces hétérostructures sont également utilisées pour développer des batteries et des supercapacités de nouvelle génération, qui promettent une charge plus rapide et une production d'énergie prolongée. Les scientifiques ont même réussi à créer des versions 2D de matériaux qui étaient auparavant impossibles, comme une version 2D de la pérovskite minérale, qui pourrait être utilisé pour améliorer les LED.

Avec la croissance des voitures électriques et des entreprises telles que Tesla nous menant vers un avenir de solutions de conversion et de stockage d'énergie plus vertes, il y aura certainement une énorme concentration sur ce type de technologie dans un avenir prévisible.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.