La spectroscopie laser ultrarapide permet d'observer le mouvement des atomes à leurs échelles de temps naturelles dans la gamme des femtosecondes, le millionième de milliardième de seconde. Microscopie électronique, d'autre part, fournit une résolution spatiale atomique. En combinant des électrons et des photons dans un seul instrument, le groupe du professeur Peter Baum de l'Université de Constance a développé certains des microscopes électroniques les plus rapides pour obtenir un aperçu détaillé des matériaux et de leur dynamique à des résolutions ultimes dans l'espace et dans le temps.

Dans leur récente publication dans ACS Nano , des scientifiques du laboratoire Baum ont appliqué cette technique avec des collègues de l'ETH Zurich pour étudier de nouveaux matériaux - des feuilles à définition moléculaire bidimensionnelle appelées MXenes - et ont fait une découverte surprenante. En utilisant des impulsions laser, MXenes peut être commuté à plusieurs reprises entre une forme plate et une forme ondulée, ouvrant un large spectre d'applications possibles.

MXenes :de nouveaux matériaux bidimensionnels

Les MXènes sont des feuilles bidimensionnelles de carbures ou de nitrures de métaux de transition sous la forme de couches simples de quelques atomes d'épaisseur. "Les MXènes sont comparables à une molécule dans une dimension spatiale et à un solide étendu dans les deux autres, " Dr Mikhaïl Volkov, premier auteur de la récente étude, décrit la structure de MXenes. Les MXènes sont synthétisés en « décollant » les fines couches de matériau d'un matériau précurseur, un processus appelé exfoliation.

Contrairement à la plupart des autres matériaux monocouches, MXenes peut être facilement produit en grande quantité, grâce à la découverte d'une méthode d'exfoliation chimique évolutive et irréversible. Les propriétés chimiques et physiques des MXenes peuvent être largement ajustées par le choix du métal de transition, conduisant à des applications généralisées de MXenes dans la détection, stockage d'Energie, récolte légère, et action antibactérienne.

Nano-ondes dans les MXenes formées par la lumière rapide

Dans leur étude, Les chercheurs principaux, le Dr Mikhail Volkov de l'Université de Constance et le Dr Elena Willinger de l'ETH Zurich, ont trouvé un nouveau moyen d'améliorer les propriétés des MXenes en leur projetant des impulsions lumineuses rapides. En utilisant la microscopie électronique ultrarapide à résolution spatiale atomique, ils ont enregistré un film de MXenes interagissant avec des impulsions laser femtosecondes, montrant que l'énergie laser est transférée au réseau atomique en un temps record de seulement 230 femtosecondes.

De façon inattendue, les scientifiques ont également découvert que la lumière laser femtoseconde peut être utilisée pour basculer entre la structure de surface initialement plate du MXene et une forme nano-onde du matériau - un "nano-paysage" de collines et de vallées avec une périodicité qui est plus de cinquante fois plus fine que la longueur d'onde du laser. "On peut contrôler l'orientation de la nano-onde avec la polarisation du laser, ce qui signifie que le matériau a une mémoire optique à l'échelle nanométrique.

De plus, si le laser frappe à nouveau, le MXene nano-ondé redevient plan et reste plat pendant l'éclairage. La taille extrêmement petite des nano-ondes et la réaction rapide du réseau sont également assez surprenantes, et un phénomène appelé couplage plasmon-phonon est probablement impliqué, " explique Volkov.

Les nano-ondes améliorent les performances des matériaux

« La nanostructuration sous forme d'ondes augmente également le rapport surface/volume des matériaux, les rendant chimiquement plus réactifs. En outre, il renforce les champs électromagnétiques locaux, améliorer le couplage avec la lumière, une propriété précieuse pour les applications de détection, ", explique Volkov. Les scientifiques s'attendent donc à ce que les MXènes nano-ondés découverts présentent une capacité de stockage d'énergie améliorée et une activité catalytique ou antibiotique améliorée. "Enfin, la possibilité de basculer la structure des MXenes entre plane et ondulée « à la demande » via une impulsion laser ouvre des voies intrigantes pour utiliser les matériaux en plasmonique actif, appareils chimiques et électriques, " conclut Volkov.