Une nouvelle forme de carbone dans un maillage d'un seul atome d'épaisseur séduit les scientifiques avec des indices qu'elle pourrait considérablement améliorer les batteries rechargeables et permettre des fils si petits qu'ils peuvent fonctionner à une échelle où les métaux échouent. Le matériel, connu sous le nom de réseau biphénylène, est très conducteur et peut s'avérer capable de stocker plus d'énergie électrique que même le graphène, le matériau en nid d'abeilles en carbone d'épaisseur atomique identifié il y a près de 20 ans.

En mai, les scientifiques ont annoncé qu'ils avaient été en mesure d'adapter l'arrangement des atomes de carbone dans un maillage qui, pour la première fois, comprend des hexagones, carrés et octogones, tout en s'assurant que le matériau n'a encore qu'un atome d'épaisseur.

Le nouvel arrangement géométrique en deux dimensions s'ajoute à la liste des structures carbonées - ou allotropes - comme le graphite, diamant et graphène. Mais les scientifiques ont découvert qu'il avait des propriétés électroniques très différentes. Il est logique de comparer le nouveau matériau avec du graphène, où les atomes de carbone se lient en une seule couche d'hexagones pour former un maillage aux caractéristiques électriques et thermiques étonnantes, ainsi qu'une résistance mécanique exceptionnelle, et pourtant est très transparent.

Des recherches en laboratoire sur le nouveau matériau à l'Université de Marburg en Allemagne et à l'Université Aalto en Finlande ont montré que les rubans du réseau biphénylène de quelques atomes de large se comportent électriquement comme un métal. Cela donne à penser que le matériau peut être développé pour fabriquer des fils conducteurs dans des circuits électroniques à base de carbone.

"Si vous prenez des nanorubans de graphène de largeur similaire, alors ce sont typiquement des semi-conducteurs et ce biphénylène est plus volontiers un métal, " dit Peter Liljeroth, professeur au département de physique appliquée de l'université Aalto. Cela pourrait rendre le matériau utile en tant que conducteur nanométrique dans les futurs appareils électroniques, il ajouta. Lui et son équipe ont fait leurs découvertes en utilisant une technique d'imagerie appelée spectroscopie à effet tunnel pour scruter des bandes de réseau de biphénylène jusqu'à 21 atomes de large. Ces rubans ont été fabriqués par le groupe du professeur Michael Gottfried du département de chimie physique de la Philipps-Universität Marburg, en Allemagne.

L'équipe de Marburg a développé la voie de synthèse de ce matériau. Ils ont fait des chaînes moléculaires contenant du carbone dans des arrangements spécifiques qui se rassemblent sur un ultra-lisse, surface d'or non réactive. Et puis une autre étape, baptisée HF-zipping, relie les chaînes ensemble pour former les bandes de réseau biphénylène.

Potentiel électrique

L'analyse d'échantillons à plus grande échelle pourrait aider à montrer si une anode en biphénylène pourrait augmenter l'efficacité des batteries lithium-ion, couramment utilisé dans les téléphones mobiles et les véhicules électriques. "Si vous avez du biphénylène en vrac ou multicouche… alors il existe des prédictions théoriques selon lesquelles la capacité de stockage du lithium devrait être plus élevée, bien plus haut, que pour le graphène, " dit le Dr Liljeroth.

Si confirmé, cela rendrait le matériau extrêmement attrayant dans les rechargeables. Mais le professeur Liljeroth souligne qu'il y a un très long chemin à parcourir avant que de telles propriétés puissent être potentiellement exploitées dans des applications industrielles ou grand public.

Un défi dans la fabrication de biphénylène en vrac est d'augmenter la précision du processus de synthèse consistant à compresser ensemble des bandes ou des rubans de biphénylène de qualité suffisante pour former des feuilles plus grandes, sans que des parties du matériau ne deviennent par défaut du graphène lorsque les atomes de carbone s'agrègent et se lient.

Alors que les chercheurs d'Aalto ont pu identifier les propriétés électriques du matériau de Marburg, d'autres caractéristiques du réseau biphénylène restent inexplorées. Des recherches sont encore nécessaires pour cerner sa mécanique, qualités thermiques et optiques. Pour faire ça, il serait utile d'avoir de plus gros échantillons.

Fils de carbone

Les propriétés conductrices métalliques confirmées indiquent déjà la possibilité de conduire des fils pour l'électronique à la plus petite échelle.

Les fils faits de métaux tels que le cuivre se dégradent généralement à des épaisseurs atomiques par un processus d'électromigration, où les électrons en mouvement peuvent déplacer les atomes et endommager les fils, qui deviennent instables et finissent par se briser.

Un matériau tel que le réseau biphénylène pourrait aider à éviter ces difficultés dans les circuits électroniques, travaillant comme un métal en conducteur d'électrons, mais sans les inconvénients. Cela ferait des conducteurs plus stables, permettant d'utiliser des fils plus petits dans l'électronique à l'échelle nanométrique.

"C'est l'un des problèmes qu'il faut surmonter ou résoudre, et les matériaux à base de carbone sont assez bons à cet égard, " a déclaré le professeur Liljeroth.

Mais il a ajouté une mise en garde claire :« Il y en a beaucoup, de nombreuses étapes entre maintenant et réellement l'utiliser dans un microprocesseur."

Ces propriétés, et d'autres encore à identifier, pourrait fournir des champs riches pour l'exploration et le développement, tout comme la nouvelle façon de produire le réseau biphénylène lui-même.

Le professeur Liljeroth a souligné le potentiel de l'approche de compression HF utilisée par l'équipe du professeur Gottfried pour créer un certain nombre d'autres structures en carbone.

L'équipe de Marburg a utilisé des précurseurs chimiques à base de carbone contenant de l'hydrogène et du fluor pour « compresser » différentes chaînes de carbone atomiques. Plutôt que de passer par défaut au graphène - la forme la plus basique à la surface - l'étape supplémentaire consistait à adapter chimiquement les bords des rubans qui se glissent ensemble pour former le réseau biphénylène.

"Ce que j'espère sortir de ce travail, c'est que les gens commencent à penser à ce genre de processus de zip HF pour fabriquer de nouveaux matériaux, (donc) vous pouvez commencer avec le même concept, peaufiner les précurseurs et se retrouver avec un autre réseau de carbone 2D, " a ajouté le professeur Liljeroth.

Étant donné que le matériau a jusqu'à présent été produit sur une surface d'or, un autre défi est de parfaire le transfert du réseau biphénylène hors du métal. C'est une tâche où les chercheurs peuvent tirer des leçons des travaux effectués sur le graphène, un matériau pour lequel les travaux en cours offrent également d'autres indications pour développer un réseau de biphénylène.

"Je dirais qu'il y a beaucoup de potentiel … maintenant qu'ils ont montré que ces structures sont réalisables, ils sont stables, au moins dans ces conditions, " a déclaré le professeur Roman Fasel, qui dirige le laboratoire nanotech@surfaces des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (EMPA) et n'a pas participé à la recherche.

« Cela va être vraiment difficile à mettre à l'échelle, " il a dit, mais a ajouté que les travaux sur le graphène avaient montré qu'il était possible de passer des plus petites particules de matériau à des échelles exploitables.

"Une direction est d'optimiser la synthèse pour réaliser un réseau 2D de grande surface, disons pour les électrodes et des choses comme ça, mais l'autre serait de trouver un moyen de fabriquer des nanorubans bien définis, donc juste la variante 1D du matériau, " il a dit.

L'un des principaux défis auxquels est confronté le biphénylène est d'identifier les propriétés qui en font un choix évident pour les futures applications - connues en termes informatiques comme une « killer app » - où il est bien meilleur que ses concurrents, ainsi que plus facile et moins cher à faire.

Après tout, les gens travaillent sur le graphène depuis près de deux décennies et bien qu'il présente de nombreuses propriétés exceptionnelles et ait trouvé des utilisations dans les peintures et les revêtements, la microélectronique et les conducteurs transparents - outre son utilisation dans les raquettes de tennis et l'encre - il n'a complètement révolutionné aucun domaine en particulier.

"Dans certains cas, un nouveau matériau ouvre quelque chose qui n'était tout simplement pas possible avec la technologie existante, et puis il peut percer plus vite, " a déclaré le professeur Liljeroth. "Mais je ne sais pas pour le biphénylène, nous devrons voir à ce sujet."