L'huile et l'eau ne se mélangent pas, mais que se passe-t-il là où l'huile et l'eau se rencontrent ? Ou là où l'air rencontre le liquide ? Des réactions uniques se produisent à ces interfaces, qu'une équipe de chercheurs basée au Japon a utilisées pour développer la première construction réussie de nanofeuilles uniformes et électriquement conductrices nécessaires aux capteurs de nouvelle génération et aux technologies de production d'énergie.

La collaboration de recherche de l'Université de la préfecture d'Osaka, du Japan Synchrotron Radiation Research Institute et de l'Université de Tokyo a publié son approche le 28 octobre dans ACS Applied Materials &Interfaces .

"Nous savons depuis longtemps que le pétrole forme un film large et uniforme à la surface de l'eau. Comprendre et utiliser ce phénomène familier pourrait conduire à des processus d'économie d'énergie", a déclaré l'auteur correspondant Rie Makiura, professeur agrégé au Département de science des matériaux. , Université de la préfecture d'Osaka. "En utilisant une combinaison de matières premières à une interface similaire, nous avons réussi à créer des matériaux fonctionnels avec des nanostructures tridimensionnelles avancées qui conduisent l'électricité."

Ces matériaux sont des cadres métallo-organiques, qui sont microporeux et composés d'ions métalliques et de lieurs organiques hautement organisés. Appelés MOF, ils ont une myriade d'applications potentielles allant des nanotechnologies aux sciences de la vie, selon Makiura, mais une propriété non réalisée les retient d'une utilisation réelle - la plupart des MOF fabriqués ne conduisent pas bien l'électricité.

"Afin d'utiliser les caractéristiques supérieures des MOF conducteurs dans des applications telles que les capteurs et les dispositifs énergétiques, la fabrication et l'intégration de films ultra-minces avec une taille de pore définie, une direction de croissance et une épaisseur de film bien contrôlées sont une nécessité et ont été activement recherchées", dit Makiura.

La plupart des développements précédents de couches minces MOF impliquent d'exfolier des couches de cristaux plus gros et de les placer sur un substrat. Selon Makiura, cependant, ce processus est compliqué et aboutit souvent à des feuilles épaisses et non uniformes qui ne sont pas très conductrices. Pour développer des nanofeuilles conductrices ultrafines et uniformes, elle et son équipe ont décidé d'inverser l'approche.

Ils ont commencé à répandre une solution contenant des lieurs organiques sur une solution aqueuse d'ions métalliques. Une fois en contact, les substances commencent à assembler leurs composants dans un arrangement hexagonal. Pendant une heure, l'arrangement s'est poursuivi alors que des nanofeuilles se forment là où le liquide et l'air se rencontrent. Une fois la formation des nanofeuilles terminée, les chercheurs ont utilisé deux barrières pour comprimer les nanofeuilles dans un état plus dense et continu.

Selon Makiura, il s'agit d'une approche simplifiée pour produire des nanofeuilles incroyablement minces avec des structures cristallines hautement organisées. Les chercheurs ont confirmé la structure uniforme par analyse microscopique et cristallographique aux rayons X. Les cristaux étroitement ordonnés visualisés indiquaient également les propriétés électriques du matériau, puisque les cristaux étaient uniformément en contact dans chaque feuille, ce qui facilitait également un contact étroit entre les feuilles. Les chercheurs ont testé cela en transférant des nanofeuilles sur un substrat de silicium, en ajoutant des électrodes en or et en mesurant la conductivité.

"Bien qu'il n'ait pas été facile d'évaluer les films ultra-minces, nous avons été ravis de pouvoir prouver qu'ils avaient une nanostructure tridimensionnelle et une conductivité électrique élevée", a déclaré le premier auteur Takashi Ohata, un doctorant supervisé par Makiura.

Les chercheurs étudient actuellement comment divers paramètres affectent la morphologie des nanofeuilles, dans le but de développer une méthodologie contrôlable et ajustable pour créer des nanofeuilles de haute qualité avec des propriétés électroniques ciblées.

"Notre assemblage ascendant polyvalent et simple de composants de construction moléculaires appropriés à l'interface air/liquide dans une architecture étendue réalise la création d'une nanofeuille cristalline parfaitement orientée et électriquement conductrice", a déclaré Makiura. "La nouvelle découverte améliore encore le potentiel de la synthèse d'interface air/liquide pour créer une grande variété de nanofeuilles pour une utilisation réelle dans de nombreuses applications potentielles, y compris pour les dispositifs de création d'énergie et les catalyseurs." + Explorer plus loin

Les couches de nanofeuilles cristallines permettent des propriétés électroniques accordables