Depuis sa découverte en 2004, le graphène, un matériau atomiquement mince doté d'une résistance et de propriétés électriques étonnantes, a inspiré des scientifiques du monde entier à concevoir de nouveaux matériaux 2D destinés à un large éventail d'applications, des énergies renouvelables et des catalyseurs à la microélectronique.

Alors que les structures 2D se forment naturellement dans des matériaux comme le graphène, certains scientifiques ont cherché à fabriquer des matériaux 2-D à partir de semi-conducteurs appelés oxydes de métaux de transition :des composés composés d'atomes d'oxygène liés à un métal de transition tel que le cobalt. Mais alors que les scientifiques savent depuis longtemps comment fabriquer des nanoparticules d'oxydes de métaux de transition, personne n'a trouvé de moyen contrôlable pour faire croître ces nanoparticules 3D en nanofeuillets, qui sont des matériaux 2-D minces de seulement quelques atomes d'épaisseur.

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a obtenu des informations précieuses sur le « bord » naturel des nanoparticules d'oxyde de métal de transition en 3D pour la croissance en 2D. Leurs conclusions ont été rapportées dans Matériaux naturels .

À l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) en phase liquide à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab pour les expériences, l'auteur co-correspondant Haimei Zheng et son équipe ont directement observé la croissance dynamique de nanoparticules d'oxyde de cobalt dans une solution, et leur transformation ultérieure en une nanofeuille plate 2-D.

"Une telle transformation 3-D en 2-D ressemble beaucoup au blanc d'un œuf qui se répand pendant qu'il frit dans une poêle, " dit Zheng, un scientifique senior de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé l'étude.

Dans les études précédentes, les scientifiques avaient supposé que seuls deux facteurs principaux :l'énergie en vrac du volume des nanoparticules, et l'énergie de surface des nanoparticules - conduirait la croissance des nanoparticules à une forme en 3D, Zheng a expliqué.

Une nouvelle énergie se fait jour

Mais les calculs menés par l'auteur co-correspondant Lin-Wang Wang ont révélé une autre énergie qui avait été auparavant négligée :l'énergie de bord. Dans un facetté, nanoparticule rectangulaire telle qu'une nanoparticule d'oxyde de métal de transition, le bord d'une facette contribue également à l'énergie - dans ce cas, énergie positive—vers la croissance et la forme de la nanoparticule. Mais pour qu'une nanoparticule d'oxyde de métal de transition se transforme en une nanofeuillet 2D, l'énergie de surface doit être négative.

"Et c'est l'équilibre entre ces deux énergies, un négatif et un positif, qui détermine le changement de forme, " a déclaré Wang. Pour les nanoparticules plus petites, l'énergie de bord positif gagne, ce qui conduit à une forme 3D compacte. Mais lorsque les nanoparticules d'oxyde de cobalt grossissent, ils atteignent finalement un point critique où l'énergie de surface négative gagne, résultant en une nanofeuille 2D, il expliqua. Wang, un scientifique senior de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a effectué les calculs pour l'étude sur les superordinateurs au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC).

Découvrir ces voies de croissance, y compris la transition 3-D-à-2-D, Zheng a ajouté, offre de nouvelles opportunités pour la conception rationalisée de nouveaux matériaux exotiques à partir de composés dont les structures atomiques irrégulières, tels que les oxydes de métaux de transition, sont plus difficiles que le graphène à synthétiser en dispositifs 2-D multicouches.

Zheng et son équipe ont conclu que l'étude n'aurait pas pu être possible avec un microscope électronique conventionnel. En utilisant la MET en phase liquide à la Fonderie Moléculaire, les chercheurs ont pu étudier la croissance de matériaux atomiquement minces en solution en encapsulant l'échantillon liquide dans une cellule liquide spécialement conçue. La cellule empêchait l'échantillon de s'effondrer dans le vide poussé du microscope électronique.

« Il serait impossible de connaître un tel chemin de croissance sans cette observation in situ, " a déclaré le premier auteur Juan Yang, qui était doctorant invité au Berkeley Lab de l'Université de technologie de Dalian en Chine au moment de l'étude. "Cette découverte pourrait transformer notre future conception de matériaux dotés de propriétés améliorées en surface pour les applications de catalyse et de détection du futur."

Prochaines étapes

Les chercheurs prévoient ensuite de se concentrer sur l'utilisation de la MET à cellules liquides pour développer des matériaux 2D plus complexes tels que des hétérostructures, qui sont comme des sandwichs de matériaux stratifiés aux propriétés différentes.

"Comme un architecte qui s'inspire de la façon dont a grandi un séquoia géant ancien, les scientifiques des matériaux sont inspirés pour concevoir des structures de plus en plus complexes pour le stockage d'énergie, " dit Zheng, qui a été le pionnier du TEM à cellules liquides au Berkeley Lab en 2009. "Mais pourquoi grandissent-ils de cette façon ? Notre force au Berkeley Lab est que nous pouvons les étudier au niveau atomique et les regarder grandir en temps réel et comprendre les mécanismes qui contribuer à la conception de meilleurs matériaux."