Des chercheurs de Bielefeld, Bochum et Yale ont réussi à produire une couche de dioxyde de silicium bidimensionnel (2D). Ce matériau contient des pores naturels et peut donc être utilisé comme un tamis pour les molécules et les ions. Les scientifiques recherchent depuis longtemps de tels matériaux car ils pourraient aider à dessaler l'eau de mer et être utilisés dans de nouveaux types de piles à combustible. L'équipe décrit le processus de fabrication des silicates bicouches dans la revue Nano Letters , publié en ligne le 19 janvier 2022. L'étude a été menée conjointement par les équipes dirigées par le Dr Petr Dementyev de l'Université de Bielefeld, le professeur Anjana Devi de la Ruhr-Universität Bochum et le professeur Eric Altman de l'Université de Yale.

Pores naturels dans le réseau cristallin

Lorsque des matériaux bidimensionnels sont percés avec une grande précision, ils peuvent être utilisés pour filtrer certains ions et molécules. Les chercheurs ont maintes et maintes fois essayé de perforer le matériau graphène à cette fin, qui se compose d'atomes de carbone. Comme il n'a pas de pores naturels, ils doivent être insérés artificiellement. Mais il est difficile de créer des trous d'une taille définie dans le graphène sans endommager définitivement le matériau. En effet, il perd sa stabilité mécanique en raison de la perforation. Il a donc fallu trouver une alternative. Dans l'étude actuelle, l'équipe de recherche a profité du fait que le réseau cristallin du dioxyde de silicium bidimensionnel contient des pores par nature. Ils ont montré que ces pores pouvaient être utilisés pour séparer certains gaz les uns des autres.

"C'est très excitant parce que le dioxyde de silicium 2D a une densité très élevée de minuscules pores par nature qu'il est tout simplement impossible de créer dans des membranes artificielles", déclare Petr Dementyev du groupe de recherche Physique des systèmes supramoléculaires et des surfaces à Bielefeld. "Contrairement au graphène perforé, les pores ont presque tous la même taille. Et il y en a un nombre si incroyable que le matériau se comporte comme un tamis à mailles fines pour les molécules."

Problème de fabrication

La silice 2D est connue depuis 2010. Cependant, sa fabrication était très coûteuse, ce qui ne pouvait se faire qu'à petite échelle. En mettant en commun l'expertise de la chimie des matériaux, du génie chimique et de la physique chimique, les chercheurs de Bochum, Bielefeld et Yale ont mis au point un nouveau procédé de fabrication de matériaux. Ils ont utilisé ce que l'on appelle le dépôt de couche atomique pour déposer une seule couche de dioxyde de silicium sur une surface d'or. À l'aide d'un processus à haute pression, les chercheurs ont transféré la couche dans sa forme bidimensionnelle, puis l'ont caractérisée en détail au moyen de la spectroscopie et de la microscopie. Ils ont ensuite examiné le flux de gaz à travers la membrane 2D dans une chambre à vide.

Alors que l'eau vaporeuse et l'alcool pénétraient dans la couche de silice, les gaz azote et oxygène ne pouvaient pas passer à travers. "Des matériaux comme celui-ci avec une perméabilité sélective sont très demandés dans l'industrie", explique Anjana Devi. Cependant, avant que la silice 2D puisse être utilisée dans la pratique, il est important d'évaluer exactement combien de molécules différentes peuvent se fixer à la surface du matériau ou comment elles peuvent le pénétrer.

"Nous nous attendons à ce que nos résultats soient d'une grande pertinence pour la communauté mondiale de la science des matériaux", conclut Anjana Devi du groupe de recherche sur la chimie des matériaux inorganiques. De telles membranes 2D pourraient être à la pointe de l'aide au développement durable, par exemple dans le domaine de la conversion ou du stockage de l'énergie." + Explorer davantage

Tamisage de précision des gaz à travers les pores atomiques du graphène