Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont induit un matériau bidimensionnel à se cannibaliser pour devenir des "blocs de construction" atomiques à partir desquels des structures stables se sont formées.

Les résultats, signalé dans Communication Nature , fournir des informations susceptibles d'améliorer la conception de matériaux 2D pour le stockage d'énergie à charge rapide et les appareils électroniques.

« Dans nos conditions expérimentales, les atomes de titane et de carbone peuvent former spontanément une couche atomiquement mince de carbure de métal de transition 2-D, ce qui n'a jamais été observé auparavant, ", a déclaré Xiahan Sang de l'ORNL.

Lui et Raymond Unocic de l'ORNL ont dirigé une équipe qui a réalisé des expériences in situ en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) de pointe, combiné avec des simulations basées sur la théorie, pour révéler les détails atomistiques du mécanisme.

"Cette étude vise à déterminer les mécanismes et la cinétique au niveau atomique qui sont responsables de la formation de nouvelles structures d'un carbure de métal de transition 2D de telle sorte que de nouvelles méthodes de synthèse puissent être réalisées pour cette classe de matériaux, " Unocic ajouté.

Le matériau de départ était une céramique 2-D appelée MXene (prononcé "max een"). Contrairement à la plupart des céramiques, Les MXènes sont de bons conducteurs électriques car ils sont constitués de couches atomiques alternées de carbone ou d'azote prises en sandwich dans des métaux de transition comme le titane.

La recherche était un projet des Fluid Interface Reactions, Centre Structures et Transports (FIRST), un centre de recherche DOE Energy Frontier qui explore les réactions d'interface fluide-solide qui ont des conséquences sur le transport de l'énergie dans les applications quotidiennes. Les scientifiques ont mené des expériences pour synthétiser et caractériser des matériaux avancés et ont effectué des travaux théoriques et de simulation pour expliquer les propriétés structurelles et fonctionnelles observées des matériaux. Les nouvelles connaissances issues des projets FIRST fournissent des repères pour les études futures.

Le matériau de haute qualité utilisé dans ces expériences a été synthétisé par les scientifiques de l'Université Drexel, sous forme de flocons monocristallins monocouches à cinq couches de MXene. Les flocons ont été prélevés sur un cristal-mère appelé "MAX, " qui contient un métal de transition noté "M"; un élément tel que l'aluminium ou le silicium, désigné par "A" ; et soit un atome de carbone soit un atome d'azote, désigné par « X ». Les chercheurs ont utilisé une solution acide pour graver les couches d'aluminium monoatomiques, exfolier le matériau et le délaminer en monocouches individuelles d'un carbure de titane MXene (Ti3C2).

Les scientifiques de l'ORNL ont suspendu un gros flocon de MXene sur une puce chauffante avec des trous percés donc pas de matériau de support, ou substrat, interféré avec le flocon. Sous vide, le flocon suspendu a été exposé à la chaleur et irradié avec un faisceau d'électrons pour nettoyer la surface de MXene et exposer complètement la couche d'atomes de titane.

Les MXènes sont généralement inertes car leurs surfaces sont recouvertes de groupes fonctionnels protecteurs :oxygène, les atomes d'hydrogène et de fluor qui restent après l'exfoliation acide. Après suppression des groupes protecteurs, le matériau restant s'active. Des défauts à l'échelle atomique - des "lacunes" créés lorsque les atomes de titane sont retirés pendant la gravure - sont exposés sur le pli extérieur de la monocouche. « Ces vacances atomiques sont de bons sites d'initiation, " A déclaré Sang. " Il est favorable pour les atomes de titane et de carbone de se déplacer des sites défectueux vers la surface. " Dans une zone avec un défaut, un pore peut se former lorsque les atomes migrent.

« Une fois ces groupes fonctionnels partis, maintenant vous vous retrouvez avec une couche de titane nu (et en dessous, carbone alterné, titane, carbone, titane) qui est libre de reconstruire et de former de nouvelles structures sur les structures existantes, " a dit Sang.

L'imagerie STEM à haute résolution a prouvé que les atomes se déplaçaient d'une partie du matériau à une autre pour construire des structures. Parce que la matière se nourrit d'elle-même, le mécanisme de croissance est cannibale.

"Le mécanisme de croissance est entièrement pris en charge par la théorie fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire réactive, ouvrant ainsi des possibilités futures d'utiliser ces outils théoriques pour déterminer les paramètres expérimentaux nécessaires à la synthèse de structures de défauts spécifiques, ", a déclaré Adri van Duin de Penn State.

La plupart du temps, une seule couche supplémentaire [de carbone et de titane] s'est développée sur une surface. Le matériau a changé au fur et à mesure que les atomes construisaient de nouvelles couches. Ti3C2 transformé en Ti4C3, par exemple.

"Ces matériaux sont efficaces au transport ionique, qui se prête bien aux applications batteries et supercondensateurs, " Unocic a déclaré. " Comment le transport ionique change-t-il lorsque nous ajoutons plus de couches à des feuilles de MXene nanométriques ? " Cette question pourrait inciter à de futures études.

« Parce que les MXènes contenant du molybdène, niobium, vanadium, tantale, hafnium, le chrome et d'autres métaux sont disponibles, il existe des opportunités de fabriquer une variété de nouvelles structures contenant plus de trois ou quatre atomes métalliques en section transversale (la limite actuelle pour les MXènes produits à partir de phases MAX), " Yury Gogotsi de l'Université Drexel a ajouté. " Ces matériaux peuvent présenter différentes propriétés utiles et créer un ensemble de blocs de construction 2-D pour faire progresser la technologie. "

Au Centre des Sciences des Matériaux Nanophase de l'ORNL (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun et Paul Kent ont effectué des calculs de théorie des premiers principes pour expliquer pourquoi ces matériaux se sont développés couche par couche au lieu de former des structures alternatives, comme des carrés. Xufan Li et Kai Xiao ont aidé à comprendre le mécanisme de croissance, qui minimise l'énergie de surface pour stabiliser les configurations atomiques. Des scientifiques de Penn State ont mené des simulations de champ de force réactive dynamique à grande échelle montrant comment les atomes se réarrangeaient sur les surfaces, confirmant les structures des défauts et leur évolution observées expérimentalement.

Les chercheurs espèrent que les nouvelles connaissances aideront d'autres personnes à développer des matériaux avancés et à générer des structures nanométriques utiles.

Le titre de l'article est « Perspectives atomistiques in situ des mécanismes de croissance des carbures de métaux de transition 2-D monocouches ».