Une équipe de l'EPFL et du NCCR Marvel en a identifié plus de 1, 000 matériaux avec une structure 2D particulièrement intéressante. Leurs recherches, Publié dans Nature Nanotechnologie , ouvre la voie à des applications technologiques révolutionnaires.

matériaux 2D, qui se composent de quelques couches d'atomes, sont considérés comme l'avenir de la nanotechnologie. Ils offrent de nouvelles applications potentielles et pourraient être utilisés dans de petites, des appareils plus performants et plus économes en énergie. Les matériaux bidimensionnels ont été découverts pour la première fois il y a près de 15 ans, mais seulement quelques dizaines d'entre eux ont été synthétisés jusqu'à présent. Maintenant, grâce à une approche développée par des chercheurs du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux de l'EPFL (THEOS) et du NCCR-MARVEL pour la conception informatique et la découverte de nouveaux matériaux, de nombreux matériaux 2D plus prometteurs peuvent être identifiés. Leurs travaux ont été récemment publiés dans la revue Nature Nanotechnologie .

Le premier matériau 2-D isolé était le graphène, en 2004, gagnant ses découvreurs d'un prix Nobel en 2010. Cela a marqué le début d'une toute nouvelle ère dans l'électronique, comme le graphène est léger, transparent et résilient et, par dessus tout, un bon conducteur d'électricité. Il a ouvert la voie à de nouvelles applications dans des domaines tels que le photovoltaïque et l'optoélectronique. "Pour trouver d'autres matériaux aux propriétés similaires, nous nous sommes concentrés sur la faisabilité de l'exfoliation, " explique Nicolas Mounet, chercheur au laboratoire THEOS et auteur principal de l'étude. "Mais au lieu de placer des bandes adhésives sur du graphite pour voir si les couches se décollent, comme l'ont fait les lauréats du prix Nobel, nous avons utilisé une méthode numérique."

Les chercheurs ont développé un algorithme pour examiner et analyser soigneusement la structure de plus de 100, 000 matériaux 3-D enregistrés dans des bases de données externes. De là, ils ont créé une base de données d'environ 5, 600 matériaux 2-D potentiels, dont plus de 1, 000 aux propriétés particulièrement prometteuses. En d'autres termes, ils ont créé un trésor pour les experts en nanotechnologie.

Pour construire leur base de données, les chercheurs ont utilisé un processus d'élimination étape par étape. D'abord, ils ont identifié tous les matériaux qui sont constitués de couches séparées. "Nous avons ensuite étudié plus en détail la chimie de ces matériaux et calculé l'énergie qui serait nécessaire pour séparer les couches, se concentrant principalement sur les matériaux où les interactions entre les atomes de différentes couches sont faibles, quelque chose connu sous le nom de liaison Van der Waals, " dit Marco Gibertini, chercheur à THEOS et deuxième auteur de l'étude.

Sur les 5, 600 matériaux initialement identifiés, les chercheurs ont distingué 1, 800 structures potentiellement exfoliantes, dont 1, 036 qui semblait particulièrement facile à exfolier. Cela représente une augmentation considérable du nombre de matériaux 2-D possibles connus aujourd'hui. Ils ont ensuite sélectionné les 258 matériaux les plus prometteurs, en les catégorisant selon leur magnétisme, électronique, mécanique, propriétés thermiques et topologiques.

"Notre étude démontre que les techniques numériques peuvent vraiment booster les découvertes de nouveaux matériaux, " dit Nicola Marzari, directeur du PRN-MARVEL et professeur à THEOS. "Autrefois, les chimistes devaient repartir de zéro et continuer à essayer différentes choses, ce qui nécessitait des heures de travail en laboratoire et une certaine dose de chance. Avec notre approche, nous pouvons éviter ce long, processus frustrant parce que nous avons un outil qui peut identifier les matériaux qui méritent d'être approfondis, nous permettant de mener des recherches plus ciblées. »

Il est également possible de reproduire les calculs des chercheurs grâce à leur logiciel AiiDA, qui décrit le processus de calcul pour chaque matériau découvert sous forme de workflows et stocke la provenance complète de chaque étape du calcul. "Sans AiiDA, il aurait été très difficile de combiner et de traiter différents types de données, " explique Giovanni Pizzi, chercheur principal à THEOS et co-auteur de l'étude. "Nos workflows sont accessibles au public, afin que n'importe qui dans le monde puisse reproduire nos calculs et les appliquer à n'importe quel matériau pour savoir s'il peut être exfolié."