L'hématène créé par une équipe dirigée par l'Université Rice est le premier matériau bidimensionnel non van der Waals connu. L'image électronique de transmission montre une seule feuille d'hématène. La barre d'échelle équivaut à 0,5 microns. Crédit :Shyam Sinha et Peter van Aken/Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Allemagne
Dans le sillage de sa récente découverte d'une forme plate de gallium, une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Université Rice a créé un autre matériau bidimensionnel qui, selon les chercheurs, pourrait changer la donne pour la production de combustible solaire. Le scientifique des matériaux de riz Pulickel Ajayan et ses collègues ont extrait de l'hématène de 3 atomes d'épaisseur à partir de minerai de fer commun. La recherche a été présentée dans un article aujourd'hui en Nature Nanotechnologie .
L'hématène peut être un photocatalyseur efficace, notamment pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène, et pourrait également servir de matériau magnétique ultramince pour les dispositifs à base de spintronique, les chercheurs ont dit.
"Le magnétisme 2D devient un domaine très passionnant avec les avancées récentes dans la synthèse de tels matériaux, mais les techniques de synthèse sont complexes et la stabilité des matériaux est limitée, " dit Ajayan. " Tiens, nous avons un simple, méthode évolutive, et la structure de l'hématène doit être écologiquement stable.
Le laboratoire d'Ajayan a travaillé avec des chercheurs de l'Université de Houston et en Inde, Brésil, Allemagne et ailleurs pour exfolier le matériau de l'hématite naturelle en utilisant une combinaison de sonication, centrifugation et filtration sous vide.
L'hématite était déjà connue pour avoir des propriétés photocatalytiques, mais ils ne sont pas assez bons pour être utiles, les chercheurs ont dit.
"Pour qu'un matériau soit un photocatalyseur efficace, il devrait absorber la partie visible de la lumière du soleil, générer des charges électriques et les transporter à la surface du matériau pour effectuer la réaction souhaitée, " dit Oomman Varghese, co-auteur et professeur agrégé de physique à l'Université de Houston.
Un schéma montre l'arrangement atomique des atomes de fer (bleu) et d'oxygène (blanc) dans l'hématène, un matériau bidimensionnel qui a été exfolié de l'hématite pour la première fois par les scientifiques de l'Université Rice et leurs partenaires internationaux. Crédit :Cristiano Woellner et Douglas Galvao/Université d'État de Campinas, Brésil
"L'hématite absorbe la lumière du soleil de l'ultraviolet à la région jaune-orange, mais les charges produites sont de très courte durée. Par conséquent, ils s'éteignent avant d'atteindre la surface, " il a dit.
La photocatalyse à l'hématène est plus efficace car les photons génèrent des charges négatives et positives à l'intérieur de quelques atomes de la surface, les chercheurs ont dit. En associant le nouveau matériau à des matrices de nanotubes de dioxyde de titane, qui fournissent une voie facile aux électrons pour quitter l'hématène, les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient permettre à plus de lumière visible d'être absorbée.
Les chercheurs ont également découvert que les propriétés magnétiques de l'hématène diffèrent de celles de l'hématite. Alors que l'hématite native est antiferromagnétique, les tests ont montré que l'hématène est ferromagnétique, comme un aimant commun. Dans les ferromagnétiques, les moments magnétiques des atomes pointent dans la même direction. Dans les antiferromagnétiques, les moments dans les atomes adjacents alternent.
Contrairement au carbone et à sa forme 2D, graphène, l'hématite est un matériau non van der Waals, ce qui signifie qu'il est maintenu par des réseaux de liaison 3D plutôt que par des interactions atomiques de van der Waals non chimiques et comparativement plus faibles.
Une image au microscope électronique à transmission montre de l'hématène bicouche et monocouche, exfolié à partir d'hématite, un minerai de fer commun, par des scientifiques de l'Université Rice et leurs partenaires internationaux. Le matériau est prometteur en tant que catalyseur pour les applications avancées de génération de combustible solaire et de spintronique. La barre d'échelle est égale à 50 nanomètres. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
« La plupart des matériaux 2D à ce jour ont été dérivés de leurs homologues en vrac qui sont de nature stratifiée et généralement connus sous le nom de solides de van der Waals, " a déclaré le co-auteur, le professeur Anantharaman Malie Madom Ramaswamy Iyer de l'Université des sciences et technologies de Cochin, Inde. « Les matériaux 2D issus de précurseurs en vrac ayant (non van der Waals) des réseaux de liaison 3D sont rares, et dans ce contexte, l'hématène revêt une grande importance."
Selon le co-auteur Chandra Sekhar Tiwary, ancien chercheur postdoctoral à Rice et aujourd'hui professeur assistant à l'Indian Institute of Technology, Gandhinagar, les collaborateurs explorent d'autres matériaux non van der Waals pour leur potentiel 2D.
