Un matériau en couches développé par les chercheurs du KAUST peut agir comme un capteur de température précis en exploitant le même principe que celui utilisé dans les canaux ioniques biologiques.

Les cellules humaines possèdent diverses protéines qui agissent comme des canaux pour les ions chargés. Dans la peau, certains canaux ioniques dépendent de la chaleur pour conduire un flux d'ions qui génère des signaux électriques, que nous utilisons pour détecter la température de notre environnement.

Inspiré par ces capteurs biologiques, Les chercheurs de la KAUST ont préparé un composé de carbure de titane (Ti 3 C 2 T X ) connu sous le nom de MXene, qui contient plusieurs couches de seulement quelques atomes d'épaisseur. Chaque couche est recouverte d'atomes chargés négativement, comme l'oxygène ou le fluor. "Ces groupes agissent comme des espaceurs pour séparer les nanofeuillets voisins, permettant aux molécules d'eau d'entrer dans les canaux interplanaires, " déclare Seunghyun Hong, postdoctorant KAUST, partie de l'équipe derrière le nouveau capteur de température. Les canaux entre les couches de MXene sont plus étroits qu'un seul nanomètre.

Les chercheurs ont utilisé des techniques, comme la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage, pour enquêter sur leur MXene, et ils ont découvert que l'ajout d'eau au matériau élargissait légèrement les canaux entre les couches. Lorsque le matériau a touché une solution de chlorure de potassium, ces canaux étaient suffisamment grands pour permettre aux ions potassium positifs de se déplacer à travers le MXene, mais bloque le passage des ions chlorure négatifs.

L'équipe a créé un petit appareil contenant le MXene et en a exposé une extrémité à la lumière du soleil. Les MXenes sont particulièrement efficaces pour absorber la lumière du soleil et convertir cette énergie en chaleur. L'augmentation de température résultante a incité les molécules d'eau et les ions potassium à traverser les nanocanaux de l'extrémité la plus froide à la partie la plus chaude, un effet connu sous le nom de flux thermo-osmotique. Cela a provoqué un changement de tension comparable à celui observé dans les canaux ioniques de détection de température biologique. Par conséquent, l'appareil pourrait détecter de manière fiable des changements de température de moins d'un degré Celsius.

La diminution de la salinité de la solution de chlorure de potassium a amélioré les performances de l'appareil, en partie en améliorant encore la sélectivité du canal pour les ions potassium.

Au fur et à mesure que les chercheurs augmentaient l'intensité de la lumière éclairant le matériau, sa température a augmenté au même rythme, tout comme la réponse de transport d'ions. Cela suggère qu'en plus d'agir comme un capteur de température, le matériau pourrait également être utilisé pour mesurer l'intensité lumineuse.

Le travail est le résultat d'une collaboration entre les groupes de professeurs de la KAUST Husam Alshareef et Peng Wang. "Nous pensons que les canaux cationiques MXene sont prometteurs pour de nombreuses applications potentielles, y compris la détection de température, photodétection ou récupération d'énergie photothermoélectrique, " dit Alshareef, qui co-dirige l'équipe.