Super-pouvoirs des matériaux ultra-minces: en science des matériaux, la 2D est la nouvelle 3D

Une chambre à vide, où la spectroscopie aux rayons X mesure les propriétés des matériaux - de minuscules carrés de différentes couleurs montés sur un support en cuivre.

Ces dernières années, les appareils connectés à Internet ont atteint de nombreuses nouvelles frontières - sur les poignets, les réfrigérateurs, les sonnettes et les voitures. Cependant, certains chercheurs pensent que «l'Internet des objets» n'est pas encore très développé.

«Et si nous pouvions intégrer de l'électronique n'importe où», a récemment déclaré Thomas Palacios, ingénieur électricien au Massachusetts Institute of Technology. - Et si nous pouvions recevoir de l'énergie à partir de panneaux solaires construits sur l'autoroute et des cellules de charge pourraient être construites dans des tunnels et des ponts pour surveiller l'état du béton? Et si nous pouvions regarder à l'extérieur et voir les prévisions météorologiques sur la vitre? Ou intégrer de l'électronique qui suit la santé humaine dans une veste? »

En janvier 2019, Palacios et ses collègues ont publié dans la revue Nature jobsdécrivant l'invention, capable de rapprocher un peu plus cet avenir: une antenne qui peut en absorber de plus en plus le Wi-Fi, le Bluetooth et les téléphones portables, et les transformer efficacement en électricité utilisable.

La clé de cette technologie est un matériau prometteur: le sulfure de molybdène , MoS ₂ , posé en couche plate avec une épaisseur de seulement trois atomes. Dans le monde de l'ingénierie, il est presque impossible de faire quelque chose de plus mince.

Et une si petite épaisseur est une chose utile. Par exemple, avec MoS _2, vous pouvez couvrir la surface de la table, la transformant en un chargeur d'ordinateur portable qui ne nécessite pas de fils.

Du point de vue des chercheurs, les matériaux bidimensionnels deviendront le pilier de «l'Internet de tout». Ils "peindront" les ponts et en feront des capteurs qui surveillent la charge et les fissures. Ils seront imposés sur les fenêtres avec un calque transparent, qui ne deviendra visible que lorsque l'information sera affichée. Et si l'équipe réussit à créer un dispositif d'absorption des ondes radio, elle pourra alimenter cette électronique omniprésente. L'avenir s'annonce de plus en plus plat.

«L'intérêt pour ce sujet augmente de façon exponentielle», a déclaré Jeff Urban, chercheur en matériaux bidimensionnels à la Molecular Factory au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. "Vous ne pouvez pas dire le contraire."


Thomas Palacios pense que l'avenir de l'électronique réside dans les surfaces planes


Les ingénieurs du MIT ont créé de minuscules circuits électroniques à partir de graphène, un type de palacios de carbone à deux dimensions


avec une bulle contenant plusieurs milliers de circuits de graphène microélectronique


Yuxuan Lin, un chercheur du laboratoire Palacios, prépare des équipements pour travailler avec des circuits bidimensionnels

Les conceptions plates ouvrent toutes les portes

La chimie bidimensionnelle a commencé en 2004, lorsque deux chercheurs du Manchester Institute ont utilisé du ruban adhésif pour décoller un film de carbone à un seul atome de morceaux de graphite, produisant ainsi du graphène. Le graphène est de composition identique au graphite et au diamant, mais sa faible épaisseur lui confère des propriétés très particulières: il est flexible, transparent, extrêmement résistant et conduit l'électricité et l'électricité exceptionnellement bien.

Les chercheurs ont immédiatement commencé à fabriquer toutes sortes de gadgets nouveaux et améliorés avec. Plusieurs entreprises ont déjà sorti des écouteurs, dans lesquels le diaphragme - une membrane vibrante qui reproduit le son dans les appareils audio - est constitué de graphène. Certains fabricants de peinture ajoutent du graphène à leurs formules pour conserver le revêtement plus longtemps. En octobre, Huawei a présenté le grand et puissant téléphone Mate 20 X, qui utilise du graphène pour refroidir le processeur. Samsung a utilisé du graphène pour développer une batterie avec une charge accélérée, et elle peut apparaître sur les téléphones dans un proche avenir.

Urban travaille avec des matériaux bidimensionnels pour améliorer les propriétés des piles à combustible, l'une des options pour un carburant "propre" pour un transport "respectueux de l'environnement". La plupart des piles à combustible génèrent de l'électricité à partir de l'hydrogène, mais même à haute pression, l'hydrogène occupe plusieurs fois plus d'espace que l'essence comparable en contenu énergétique, de sorte qu'il devient impossible d'utiliser l'hydrogène dans les voitures.

Au lieu de cela, Urban introduit des atomes d'hydrogène dans des matériaux solides dont la densité est plusieurs fois supérieure à la densité des gaz. En mars, lui et ses collègues ont annoncé la création d'un nouveau type de stockage: de minuscules cristaux de magnésium enveloppés dans des bandes étroites de soi-disant nanorubans de graphène. Ils ont découvert que l'hydrogène ainsi stocké produit presque autant d'énergie que l'essence d'un volume similaire et pèse beaucoup moins.

Urban a comparé ce processus à la cuisson de biscuits avec des pépites de chocolat, dont le rôle est le magnésium qui contient de l'hydrogène. «Nous avons besoin de cookies contenant autant de pépites de chocolat que possible», a-t-il déclaré, et les nanorubans de graphène constituent une excellente pâte à biscuits. Les nanorubans aident également l'hydrogène à entrer et à sortir rapidement des cristaux de magnésium, retenant l'oxygène à l'extérieur, combattant l'hydrogène pour une place à l'intérieur des cristaux.

Urban explore le monde des matériaux ultra-minces dans le laboratoire Advanced Light Source, situé sous un dôme, qui offre une vue panoramique sur la ville de San Francisco et la baie. Ici, les électrons, dispersés presque à la vitesse de la lumière, génèrent de puissants rayons X qui peuvent être utilisés pour une détection fine de la structure atomique des matériaux.

Chez ALS, Urban et ses collègues ont compris exactement comment le graphène s'enroule autour du magnésium et s'y attache. Cette connexion des deux matériaux garantit la stabilité du matériau composite sur de longues périodes de temps - c'est une propriété importante pour l'utilisation du composé dans des conditions réelles.


Advanced Light Source Lab


Jeff Urban, chercheur en matériaux bidimensionnels, à la Molecular Factory du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie


Les piles à combustible expérimentales aident à mesurer les propriétés des matériaux ultrafins dans diverses conditions (lorsqu'ils sont exposés au gaz, aux liquides, à la lumière du soleil ou à des produits chimiques) en utilisant la spectroscopie aux rayons X à l'aide de rayons X doux. Le


spécialiste des rayonnements Yi-Sheng Liu, l'un des membres de l'équipe d'Urban, utilise un contrôleur pour définition de l'emplacement de l'échantillon de matériau que les rayons X seront irradiés

D'autres chercheurs couches ultraminces de matériau plié dans la pile pour obtenir des blocs tridimensionnels, dont les propriétés ichayutsya à la fois en deux dimensions et en trois dimensions à partir de matériaux conventionnels.

Kwabena Bedyako, chimiste à l'Université de Californie à Berkeley, a publié l'année dernière une étude dans le magazine Nature décrivant comment elle et ses collègues ont placé les ions lithium entre plusieurs couches de matériaux bidimensionnels, y compris le graphène.

«Nous avons commencé avec un morceau de pain, l'étalons avec de la mayonnaise, le mettons sur du fromage, puis sur du jambon», a-t-elle déclaré. "Vous pouvez répéter autant de fois que vous le souhaitez et vous obtenez un sandwich."

En changeant les couches de la pile, les chercheurs ont pu affiner le processus de stockage du lithium, ce qui peut conduire à la création de nouvelles batteries haute capacité pour les appareils électroniques.

Xining Zang, Ph.D. en science des matériaux du MIT, a récemment découvert un moyen étonnamment simple de superposer des matériaux bidimensionnels à l'aide de gélatine, un produit qui donne à la marmelade et aux guimauves leur structure. Lui et ses collègues ont combiné de la gélatine, des ions métalliques et de l'eau. La gélatine a formé une structure multicouche (comme cela se produit généralement avec la formation de gelée), ce qui a donné une structure en couches aux ions métalliques. Une partie du carbone de la gélatine a réagi avec le métal, produisant des feuilles de carbure métallique bidimensionnelles; ils ont agi comme des catalyseurs, aidant à séparer l'eau en oxygène et en hydrogène - et ce processus peut être utilisé dans les piles à combustible pour produire de l'électricité.

"Je ne peux pas dire que la technologie était grossière, car si vous y réfléchissez, elle s'est avérée assez élégante", a déclaré Nate Hochman, qui travaillait auparavant à la Molecular Factory, et l'un des auteurs de l'ouvrage. "Tout est sorti à la jonction des technologies hautes et basses."

Rendre les matériaux plus fins

Si les matériaux bidimensionnels fleurissent, c'est à Singapour, dans le laboratoire de Liu Zheng, à l'Université de technologie de Nanyang. Singapour essaie de devenir une "ville jardin" et ce petit pays remplit activement son territoire de verdure - y compris l'université, où des jardins sont plantés dans tous les coins de ses bâtiments modernes.

Zheng considère ses recherches comme une variante de la méthode de culture des plantes. «Je suis jardinier», a-t-il déclaré. - J'ai un jardin en deux dimensions avec une variété de couleurs. Et ils sont tous magnifiques. "

L'année dernière, Zheng et ses collègues ont considérablement agrandi leur jardin, créant des dizaines de nouveaux matériaux bidimensionnels à partir d'une classe de matériaux composites appelés chalcogénures de métaux de transition(chalcogénures de métaux de transition, TMC). Une découverte clé a été l'utilisation du sel de table pour abaisser le point de fusion des métaux; en conséquence, il est devenu possible de vaporiser le métal pour qu'il se dépose sous forme de films minces.


Dans le laboratoire de Liu Zheng à Nanyang Technological University, des couches de matériaux en deux dimensions sont placés sur des substrats de silicium et stockés dans des conteneurs.


Nanyang Technological University à Singapour.


Dans le laboratoire de Zheng, chimique en phase vapeur est déposé par couches en deux dimensions sur des substrats de silicium dans des tubes de quartz.


Instruments pour le contrôle minutieux et de surveillance de l'écoulement des gaz dans les tubes de quartz tubes

"Une fois que mon élève m'a dit: je peux faire du TMC avec du sel", a expliqué Zheng. - J'ai été surpris. C'est mon rêve depuis de nombreuses années. »

L'une des étagères du laboratoire rembourré de Zheng est remplie de récipients transparents hermétiques; des substrats de silicium avec des dépôts de matériaux bidimensionnels y sont stockés. Souvent, les films forment un triangle ou hexagone visible, conformément à la structure géométrique des cristaux de matériau.

Après avoir placé les films, l'équipe de Zheng se déplace dans un laboratoire voisin pour étudier attentivement les structures résultantes. La majeure partie de la pièce est occupée par un microscope électronique à transmission de quatre mètres et un poids d'une tonne et demie - un énorme appareil pour visualiser les atomes individuels.

De nombreux TMC, dont MoS ₂Les palacios, absorbant les ondes radio, sont potentiellement applicables dans diverses applications industrielles. Le séléniure de platine bidimensionnel du laboratoire de Singapour peut servir à produire des piles à combustible moins chères, qui utilisent généralement du platine, qui sépare le proton de l'atome d'hydrogène de l'électron. Le passage au séléniure de platine bidimensionnel pourrait réduire la quantité de platine utilisée de 99%, a déclaré Zheng. L'Université de technologie de Nanyang discute déjà de la commercialisation de la technologie avec les fabricants. Jusqu'à présent, l'avenir n'est pas encore complètement bidimensionnel, mais il est déjà proche de cela.

"Je vois l'énorme potentiel commercial de ce matériau", a déclaré Zheng. "Nous pouvons sérieusement affecter le marché."


Dispositif thermoélectrique flexible d'Urban à partir de nanofeuilles de carbone bidimensionnelles. Les appareils thermoélectriques prennent l'énergie de l'environnement et la transforment en énergie électrique utilisable.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/