Une équipe de chercheurs de l'Université Rice a cartographié la façon dont les particules de matériaux 2D se déplacent dans un liquide. Des connaissances qui pourraient aider les scientifiques à assembler des matériaux à l'échelle macroscopique ayant les mêmes propriétés utiles que leurs homologues 2D.

"Les nanomatériaux bidimensionnels sont des matériaux en forme de feuille extrêmement minces (seulement quelques atomes d'épaisseur), a déclaré Utana Umezaki, étudiante diplômée de Rice et auteur principal d'une étude publiée dans ACS Nano. . "Ils se comportent très différemment des matériaux auxquels nous sommes habitués dans la vie quotidienne et peuvent avoir des propriétés très utiles :ils peuvent supporter beaucoup de force, résister à des températures élevées, etc. Pour profiter de ces propriétés uniques, nous devons trouver des moyens pour les transformer en matériaux à plus grande échelle comme des films et des fibres. "

Afin de conserver leurs propriétés particulières sous forme massive, les feuilles de matériaux 2D doivent être correctement alignées – un processus qui se produit souvent en phase de solution. Les chercheurs de Rice se sont concentrés sur le graphène, composé d'atomes de carbone, et de nitrure de bore hexagonal, un matériau ayant une structure similaire au graphène mais composé d'atomes de bore et d'azote.

"Nous étions particulièrement intéressés par le nitrure de bore hexagonal, parfois appelé" graphène blanc "et qui, contrairement au graphène, ne conduit pas l'électricité mais possède une résistance élevée à la traction et est chimiquement résistant", a déclaré Angel Martí, professeur de chimie et de bio-ingénierie. , science des matériaux et nano-ingénierie et directeur du département de chimie de Rice. "L'une des choses que nous avons réalisé est que la diffusion du nitrure de bore hexagonal en solution n'était pas très bien comprise.

"En fait, lorsque nous avons consulté la littérature, nous avons constaté qu'il en était de même pour le graphène. Nous n'avons pas pu trouver de compte rendu de la dynamique de diffusion au niveau d'une seule molécule pour ces matériaux, ce qui nous a motivé à nous attaquer à ce problème."

Les chercheurs ont utilisé un tensioactif fluorescent, c’est-à-dire du savon lumineux, pour marquer les échantillons de nanomatériaux et rendre visible leur mouvement. Des vidéos de ce mouvement ont permis aux chercheurs de tracer les trajectoires des échantillons et de déterminer la relation entre leur taille et la façon dont ils se déplacent.

"D'après nos observations, nous avons découvert une tendance intéressante entre la vitesse de leur mouvement et leur taille", a déclaré Umezaki. "Nous pourrions exprimer la tendance avec une équation relativement simple, ce qui signifie que nous pouvons prédire mathématiquement le mouvement."

Il a été constaté que le graphène se déplace plus lentement dans la solution liquide, probablement en raison du fait que ses couches sont plus fines et plus flexibles que le nitrure de bore hexagonal, ce qui entraîne davantage de friction. Les chercheurs pensent que la formule dérivée de l'expérience pourrait être utilisée pour décrire comment d'autres matériaux 2D se déplacent dans des contextes similaires.

"Comprendre comment fonctionne la diffusion de ces matériaux dans un environnement confiné est important car, si nous voulons fabriquer des fibres, par exemple, nous extrudons ces matériaux à travers des injecteurs ou des filières très minces", a déclaré Martí. "C'est donc la première étape pour comprendre comment ces matériaux commencent à s'assembler et à se comporter lorsqu'ils se trouvent dans cet environnement confiné."

En tant que l'une des premières études portant sur l'hydrodynamique des matériaux nanofeuilles 2D, la recherche contribue à combler une lacune dans le domaine et pourrait contribuer à surmonter les défis de fabrication de matériaux 2D.

"Notre objectif final en étudiant ces éléments de base est de pouvoir générer des matériaux macroscopiques", a déclaré Martí.

Anatoly Kolomeisky, professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire à Rice, et Matteo Pasquali, professeur A.J. Le professeur Hartsook de génie chimique et biomoléculaire et professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie sont les auteurs correspondants de l'étude.

Plus d'informations : Utana Umezaki et al, Diffusion brownienne de nanofeuilles de nitrure de bore hexagonal et de graphène en deux dimensions, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c11053

Informations sur le journal : ACS Nano

Fourni par l'Université Rice