Suite à l'isolement du graphène en 2004, une course a commencé à synthétiser de nouveaux matériaux bidimensionnels. Il s'agit de substances monocouches d'une épaisseur comprise entre un atome et quelques nanomètres (milliardièmes de mètre). Ils ont des propriétés uniques liées à leur dimensionnalité réduite et jouent un rôle clé dans le développement des nanotechnologies et de la nano-ingénierie.

Un groupe international de chercheurs, y compris des scientifiques brésiliens affiliés à l'Université de Campinas (UNICAMP), ont réussi à produire un nouveau matériau avec ces caractéristiques.

Les chercheurs ont extrait un matériau 2-D qu'ils appellent hématène à partir de minerai de fer ordinaire. Le matériau n'a que trois atomes d'épaisseur et on pense qu'il a des propriétés photocatalytiques améliorées. Cette innovation est décrite dans un article publié dans Nature Nanotechnologie .

"Le matériau que nous avons synthétisé peut agir comme un photocatalyseur pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, pour produire de l'électricité à partir d'hydrogène, parmi plusieurs autres applications potentielles, " a déclaré Douglas Soares Galvão, l'un des auteurs de l'étude et co-chercheur principal au CCES.

Le nouveau matériau a été exfolié de l'hématite, l'un des minéraux les plus répandus sur Terre et la principale source de fer, quel est le métal le moins cher, utilisé dans de nombreux produits et surtout pour fabriquer de l'acier.

Contrairement au carbone et à sa forme 2-D le graphène, l'hématite est un matériau non van der Waals, ce qui signifie qu'il est maintenu ensemble par des réseaux de liaison 3-D plutôt que par des interactions atomiques de van der Waals non chimiques et comparativement plus faibles, qui sont non covalents (ils n'impliquent pas le partage d'une ou plusieurs paires d'électrons par les atomes qui participent à la liaison).

Parce qu'il s'agit d'un minéral naturel, est très orienté, de gros cristaux et est un matériau non van der Waals, les chercheurs pensent que l'hématite est un excellent précurseur pour l'exfoliation de nouveaux matériaux 2D.

"La plupart des matériaux 2-D synthétisés à ce jour ont été dérivés d'échantillons de solides de van der Waals. Les matériaux 2-D non van der Waals avec des couches atomiques très ordonnées et de gros grains sont encore rares, " a déclaré Galvao.

L'hématène a été synthétisé par exfoliation en phase liquide de minerai d'hématite dans un solvant organique, N, N-diméthylformamide (DMF). La microscopie électronique à transmission a confirmé l'exfoliation et la formation d'hématène dans des feuilles simples d'une épaisseur de seulement trois atomes de fer et d'oxygène (monocouche) et dans des feuilles bicouches empilées de manière aléatoire.

Des tests et des calculs mathématiques ont été effectués pour étudier les propriétés magnétiques de l'hématène. Les résultats ont montré qu'elles différaient des propriétés magnétiques de l'hématite. Alors que l'hématite native est antiferromagnétique, l'hématène est ferromagnétique, comme un aimant commun. Dans les ferromagnétiques, les dipôles sont parallèles et alignés dans le même sens. Dans les antiferromagnétiques, les dipôles sont antiparallèles et alignés dans des directions opposées.

"Dans les ferroaimants, les moments magnétiques des atomes pointent dans la même direction. Dans les antiferromagnétiques, les moments dans les atomes adjacents alternent, " expliqua Galvao.

Photocatalyseur efficace

Les chercheurs ont également analysé les propriétés photocatalytiques de l'hématène, c'est-à-dire sa capacité à augmenter la vitesse d'une réaction chimique lorsqu'elle est énergisée par la lumière. Les résultats ont montré que la photocatalyse par l'hématène est plus efficace que la photocatalyse par l'hématite, dont les propriétés photocatalytiques sont bien connues mais pas assez fortes pour être utiles.

Pour qu'un matériau soit un photocatalyseur efficace, il doit absorber la partie visible de la lumière solaire, générer une charge électrique, et le transporter à la surface du matériau pour effectuer la réaction souhaitée.

L'hématite absorbe la lumière du soleil de l'ultraviolet à la région jaune-orange, mais la charge qu'il produit est de très courte durée. Par conséquent, il s'estompe avant d'atteindre la surface.

La photocatalyse à l'hématène est plus efficace car les photons génèrent à la fois des charges négatives et positives dans 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.

"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, " a déclaré le chercheur FAPESP RIDC. La spintronique (ou magnétoélectronique) est une nouvelle technologie utilisée pour stocker, afficher et traiter des informations basées sur les changements provoqués par le spin d'un électron, qui est directement couplé à son moment magnétique.

Le groupe a étudié d'autres matériaux non van der Waals pour leur potentiel à donner naissance à d'autres matériaux 2D aux propriétés exotiques. "Il existe un certain nombre d'autres oxydes de fer et leurs dérivés qui sont candidats à l'origine de nouveaux matériaux 2-D, " a déclaré Galvao.