Certaines des découvertes scientifiques les plus célèbres se sont produites par accident. Du téflon et du four à micro-ondes à la pénicilline, les scientifiques qui tentent de résoudre un problème trouvent parfois des choses inattendues. C'est exactement ainsi que nous avons créé les nanorubans de phosphorène - un matériau fabriqué à partir de l'un des éléments de base de l'univers, mais cela a le potentiel de révolutionner un large éventail de technologies.

Nous avions essayé de séparer des couches de cristaux de phosphore en feuilles bidimensionnelles. Au lieu, notre technique créé minuscule, des rubans ressemblant à des tagliatelles d'un seul atome d'épaisseur et seulement une centaine d'atomes de diamètre, mais jusqu'à 100, 000 atomes de long. Nous avons passé trois ans à perfectionner le processus de production, avant d'annoncer nos conclusions.

Les rubans bidimensionnels ont un certain nombre de propriétés remarquables. Leur rapport largeur/longueur est similaire à celui des câbles qui enjambent le Golden Gate Bridge. Ils sont incroyablement uniformes mais la largeur manipulable permet leurs propriétés, tels que si et comment ils conduisent l'électricité, à peaufiner. Ils sont également incroyablement flexibles, ce qui signifie qu'ils peuvent suivre parfaitement les contours de toutes les surfaces sur lesquelles ils sont posés, et même être tordu.

Potentiel de transformation

Plus de 100 articles scientifiques ont prédit le potentiel de transformation de ces nanorubans, s'il est possible de les créer, à travers une gamme de technologies - certaines jusqu'à cinq ans avant la publication de notre découverte dans Nature.

Le plus important d'entre eux est peut-être celui de la technologie des batteries. La structure ondulée des nanorubans de phosphorène signifie que les ions chargés qui alimentent les batteries pourraient bientôt se déplacer jusqu'à 1000 fois plus vite qu'il n'est actuellement possible. Cela signifierait une diminution significative du temps de charge, parallèlement à une augmentation de capacité d'environ 50 %. De tels gains de performances donneraient un coup de fouet aux industries de la voiture électrique et de l'aéronautique, et nous permettent de mieux exploiter les énergies renouvelables pour éliminer la dépendance aux combustibles fossiles, même gris, jours calmes.

Cela signifie également qu'à l'avenir, les batteries pourraient utiliser des ions sodium au lieu des ions lithium. Les réserves connues de lithium peuvent ne pas être en mesure de répondre aux énormes augmentations projetées de la demande de batteries, et l'extraction du métal peut être nuisible à l'environnement. Sodium, par contre, est abondant et bon marché.

Le domaine de l'électronique peut également être reconnaissant pour les nanorubans. La loi de Moore observe que la puissance de traitement informatique double tous les deux ans, mais ce rythme risque de ralentir à mesure que les limites physiques des matériaux se rapprochent rapidement. L'utilisation de matériaux « 2D » comme le nôtre pourrait redéfinir ces limites, nous permettant de fabriquer des appareils toujours plus petits et plus rapides.

Les rubans pourraient résoudre un autre obstacle majeur dans ce domaine :comment connecter électriquement des nanomatériaux sans créer une grande résistance (et donc une perte d'énergie) au niveau des jointures. Des versions épaisses à plusieurs couches de nanorubans de phosphorène peuvent être divisées de manière transparente en rubans de différentes hauteurs et propriétés électriques, contourner les exigences techniques habituelles des connexions. Grâce à ça, les cellules solaires à haut rendement pourraient maintenant être beaucoup plus proches de la réalité.

La flexibilité et les propriétés thermoélectriques des nanorubans de phosphorène signifient qu'ils pourraient également être intégrés dans des tissus portables, et utilisé pour convertir la chaleur perdue en électricité utile. Par exemple, nous pourrions bientôt voir des t-shirts thermoélectriques qui fonctionnent comme des moniteurs cardiaques et de glycémie, le tout alimenté par la chaleur corporelle seule.

La technologie pourrait libérer le potentiel de l'hydrogène en tant que carburant efficace et à faible teneur en carbone. Le gaz est abondamment disponible dans l'eau et ne produit de l'oxygène qu'en tant que sous-produit lorsqu'il est extrait. Cependant, trouver un moyen de le faire à moindre coût a jusqu'à présent échappé aux scientifiques. Les molécules d'eau peuvent être séparées par un processus appelé photocatalyse, mais la méthode nécessite un matériau qui absorbe beaucoup de lumière, et dont les propriétés énergétiques correspondent bien à celles de l'eau. Les nanorubans devraient avoir exactement ces qualités, ainsi qu'une surface élevée qui maximiserait le contact avec l'eau, ce qui en fait un candidat prometteur pour résoudre l'énigme de la production d'hydrogène.

De façon encourageante, les nanorubans de phosphorène ont déjà franchi des obstacles majeurs sur la voie de la commercialisation. Trouver une méthode de production évolutive comme la nôtre prend des années pour la plupart des nouveaux matériaux, et certains ne voient jamais le jour. Ajouté à cela, le phosphore est une matière relativement abondante et facilement extraite dans la croûte terrestre. Et puisque nos rubans sont déjà formés dans des liquides, des encres ou des peintures peuvent facilement être produites pour les manipuler à grande échelle en utilisant des méthodes peu coûteuses telles que le revêtement par pulvérisation ou l'impression à jet d'encre.

La production de ces rubans n'est cependant que la première étape vers la révolution des technologies ci-dessus. De nombreuses recherches doivent maintenant être menées pour tester les prédictions théoriques, et étudier dans quelle mesure les propriétés des rubans peuvent être adaptées à des applications spécifiques. Comme les voyages de plus de 20 ans de Teflon, batteries à lithium, et Velcro nous montre, le chemin de la découverte à l'utilisation peut être long. Mais alors que la société s'éloigne de plus en plus des combustibles fossiles, nous nous attendons à ce que cette route soit bientôt bien fréquentée.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.