Du graphène au Goldene : les matériaux avancés à couche atomique unique ouvrent de nouvelles portes pour les découvertes futures

Aucun d’entre nous ne doute de la valeur de l’or dans nos esprits. Après tout, c’est le magasin de valeur le plus populaire et le plus ancien. Cependant, les avancées scientifiques réalisées par la civilisation humaine nous ont désormais conduits aux portes du Goldene. Et cela pourrait être une véritable révolution, pour le dire modestement. Mais qu’est‑ce que le Goldene ? Pourquoi la communauté scientifique est‑elle si enthousiaste à son sujet ? Approfondissons.

Goldene: Feuilles d’or d’une épaisseur d’un seul atome

Pour la première fois, chercheurs de Linköping University, Suède, ont créé des feuilles d’or dont l’épaisseur correspond à une seule couche d’atome. Les chercheurs ont nommé cette dérivation Goldene. Le Goldene pourrait être utile pour de nombreuses tâches sophistiquées, notamment la conversion du dioxyde de carbone, la production d’hydrogène et la fabrication de produits chimiques à valeur ajoutée. 

Selon Shun Kashiwaya, chercheur à la division Materials Design de l’université:

« Si vous rendez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit – comme avec le graphène. Il en va de même avec l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais si son épaisseur n’est qu’une couche d’atome, l’or peut devenir un semi‑conducteur. »

Comment le « Goldene » a‑t‑il été créé ?

L’invention a commencé par le développement d’un matériau de base tridimensionnel créé en incorporant de l’or entre des couches de titane et de carbone. À haute température, le silicium finement stratifié du carbure de titane‑silicium a été remplacé par de l’or, conduisant à la découverte du carbure d’or et de titane. Cependant, il s’agissait d’une découverte fortuite. Les chercheurs visaient à revêtir le carbure de titane‑silicium, conducteur électrique, d’une couche d’or afin d’en assurer le contact. 

Pour mener à bien leur travail, les chercheurs ont exploité une méthode traditionnelle qui fait partie de l’art de la forge japonaise depuis plus d’un siècle. Le composant s’appelle le réactif de Murakami. Les chercheurs l’ont utilisé à différentes concentrations et pendant différentes durées afin d’obtenir finalement le composant. 

Bien qu’ils aient finalement pu produire les feuilles d’or avec l’épaisseur souhaitée d’un seul atome, il était crucial de les stabiliser. Ils ont utilisé un tensioactif, une longue molécule, pour séparer et stabiliser les feuilles, afin d’empêcher qu’elles ne se recourbent. 

En décrivant le résultat final et sa validation scientifique, Shun Kashiwaya, l’un des chercheurs, a déclaré:

« Les feuilles d’or sont dans une solution, un peu comme des cornflakes dans du lait. En utilisant un type de « tamiseur », nous pouvons collecter l’or et l’examiner au microscope électronique pour confirmer que nous avons réussi. Ce que nous avons fait. »

Les nombreuses applications potentielles du Goldene

Les applications potentielles du Goldene couvrent un large éventail de domaines, notamment la conversion du dioxyde de carbone, la catalyse de génération d’hydrogène, la production sélective de produits chimiques à valeur ajoutée, la production d’hydrogène, la purification de l’eau, les communications, et bien plus encore.

Dans la suite de leurs travaux, les chercheurs prévoient d’explorer la possibilité de réduire la quantité d’or utilisée dans ces applications et de substituer l’or par d’autres métaux nobles. Ces nouveaux composés pourraient offrir de nombreuses nouvelles applications. 

Bien que le Goldene promette d’ouvrir de nombreuses nouvelles perspectives en termes d’applications scientifiques et technologiques, la fascination de la communauté scientifique pour les matériaux à couche atomique unique n’est pas nouvelle. 

Le cas curieux des matériaux à atome unique: le graphène et plus encore

Chaque fois que nous parlons de matériaux à atome unique, nous évoquons nécessairement le graphène. Il est populaire en raison de son potentiel. Extrait du graphite, forme cristalline du carbone, le graphène est léger, élastique et résistant. En plus de sa finesse, il possède une résistance élevée, 200 fois supérieure à celle de l’acier. Pourtant, il est cinq fois plus léger que l’aluminium. Il possède également des capacités d’absorption de la lumière ainsi qu’une haute conductivité électrique et thermique.  

Le graphène fait davantage l’objet de discussions ces jours‑ci grâce à une percée récente où des chercheurs ont réussi à démontrer le premier semi‑conducteur fonctionnel en graphène. Cette découverte pourrait entraîner des changements majeurs dans le domaine de l’informatique et de l’électronique. 

Bien que le graphène puisse être le matériau à atome unique le plus populaire et le plus largement applicable, il existe plusieurs autres exemples dans cette catégorie. 

Les matériaux à atome unique sont également appelés matériaux 2D non‑laminés. Ils portent ce nom car leur formation résulte d’une liaison chimique en trois dimensions (3D), créant des liaisons pendantes insaturées à la surface et induisant une surface à haute activité et haute énergie. 

En dehors du graphène, un exemple de tel matériau à couche unique est le phosphore noir, connu sous le nom de phosphorène. Parmi les autres matériaux non‑laminés, on trouve le silicone et le germanène. 

En raison de leurs propriétés dépendantes de la couche, des effets de bord de couche et de leurs structures de bande variables, ces matériaux présentent souvent un ensemble unique de propriétés à leurs bords. Ils sont modifiables par contrainte ou champs électriques appliqués, ce qui leur confère des propriétés de réglage. 

Les chalcogénures métalliques, les oxydes métalliques, les semi‑conducteurs III‑V et les pérovskites organo‑inorganiques figurent parmi les matériaux à atome unique ou bidimensionnels non‑laminés les plus courants. 

Examinons brièvement quelques exemples concrets de ces matériaux. Des exemples de chalcogénures métalliques comprennent le disulfure de molybdène (MoS2), le disulfure de tungstène (WS2) et le disélénure de tungstène (WSe2), tandis que l’oxyde d’indium (In2O3), l’oxyde d’étain (SnO2) et l’oxyde de zinc (ZnO) sont des exemples typiques d’oxydes métalliques. 

Les semi‑conducteurs III‑V tirent leur nom du fait qu’ils combinent un élément du groupe III, tel que l’aluminium, le gallium ou l’indium, avec un élément du groupe V, tel que le phosphore, l’arsenic ou l’antimoine. Le gallium arsenide et le phosphate d’indium sont des exemples de semi‑conducteurs III‑V. 

Parmi les pérovskites organo‑inorganiques, on trouve le iodure de plomb méthylammonium (MAPbI3) et le iodure de plomb formamidinium (FAPbI3).

Ces matériaux pourraient trouver plusieurs applications. Des entreprises développent des solutions basées sur eux. Dans la section suivante, nous les examinerons. 

#1. Haydale Graphene Industries

La nature inerte du graphène le rendait difficile à adopter. Haydale Graphene Industries, pour résoudre ce problème, a développé un procédé « powder‑in, powder‑out » qui permet de surmonter sans heurts le problème de la fonctionnalisation plasma. 

Ce procédé, capable de libérer le potentiel du graphène, est devenu connu sous le nom de Haydale HDPlas, une méthode sèche, propre et respectueuse de l’environnement qui améliore le graphène et d’autres nanomatériaux en leur conférant la résistance mécanique requise ainsi une conductivité électrique et thermique accrue. 

Haydale a développé de nombreuses solutions intéressantes à base de graphène, notamment une gamme d’encres de graphène personnalisables pour les dispositifs biomédicaux, l’électronique flexible, les éléments chauffants et la technologie portable. Elle fournit également du nitrure de bore fonctionnalisé, connu sous le nom de « white graphene ». Ce matériau céramique synthétique est non toxique et se présente sous forme solide ou en poudre. Parmi ses propriétés figurent l’isolation, la résistance, le poids et la conductivité électrique. 

Le portefeuille de Haydale en matière de graphène fonctionnalisé et d’additifs nanomatériaux s’avère également efficace dans la fabrication de produits en élastomère. Ceux‑ci peuvent être utilisés dans les pneus de bicyclettes et de routes en caoutchouc, les semelles de chaussures en caoutchouc, les joints et les garnitures. Les produits de graphène en carbure de silicium de Haydale sont utilisés dans le traitement de surface céramique‑polymère pour protéger les produits en béton. 

En utilisant le graphène, Haydale a également développé des composites utiles, des thermoplastiques et des outils de découpe solaire. 

Récemment, Haydale (AIM: HAYD) a annoncé ses résultats intermédiaires pour l’exercice clos le 31 décembre 2023 (« FY23 »). Selon le rapport, le chiffre d’affaires du groupe a augmenté de 38 % pour atteindre 2,47 millions de livres (£) (H1 FY23 : 1,78 millions de livres). 

#2. Siemens

Un autre cas d’utilisation très avancé pour les feuilles de graphène peut être observé dans la construction de cyclotrons par Siemens. Un groupe de chercheurs a utilisé des feuilles de graphène comme feuille extractrice (stripper) dans le cyclotron Siemens Eclipse de 11 MeV. 

Ces feuilles présentaient une conductivité thermique exceptionnellement élevée comparée au carbone ainsi qu’une résistance mécanique importante. Leur durée de vie dépassait 16 000 PA*H. L’utilisation de feuilles de graphène a également entraîné une augmentation significative du facteur de transmission — le rapport entre le courant du faisceau sur la feuille extractrice et le courant sur la cible — qui dépassait 90 %. 

L’expérience a démontré comment les feuilles de graphène à couche atomique unique pouvaient concurrencer efficacement les autres feuilles de carbone, généralement utilisées comme feuilles extractrices. 

Siemens est reconnue dans le monde entier pour la fabrication de produits haut de gamme, sophistiqués et à forte intensité technologique. Le fait qu’une telle entreprise utilise des matériaux à atome unique sous forme de feuilles montre le potentiel de cette catégorie. 

En FY 2023, Siemens a réalisé un chiffre d’affaires de 19,66 milliards d’euros, une hausse notable par rapport aux 17,39 milliards d’euros enregistrés en 2022. 

Plus d’explorations autour des matériaux à couche atomique unique

Des recherches récentes ont montré que, en plus de matériaux comme le Goldene ou le graphène, le phosphore noir monolayer, également appelé phosphorène, offre des avantages distincts dans les applications de détection. Les scientifiques et chercheurs attribuent ces bénéfices uniques à la structure « ondulée » du réseau du phosphorène, qui confère au matériau un rapport surface‑volume plus élevé que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). Le phosphorène est polyvalent dans ses applications et peut être utilisé dans divers scénarios de détection, notamment la détection de gaz, d’humidité, la photodétection, la bio‑détection et la détection d’ions. 

Le phosphorène montre également un potentiel considérable en électronique et en optoélectronique. Des publications scientifiques ont révélé que ses propriétés intrinsèquement anisotropes — électroniques, de transport, optoélectroniques, thermoélectriques et mécaniques — diffèrent nettement de celles du graphène et des dichalcogénures de métaux de transition. La facilité de fabrication et les propriétés nouvelles du phosphorène ont stimulé la conception et la démonstration de nouveaux nanodispositifs. 

Une autre étude a souligné les avantages de combiner le graphène et le phosphorène. Pour approfondir comment cette combinaison pourrait être utile, nous examinons les performances comparatives des batteries sodium‑ion comme alternative aux batteries lithium‑ion. Bien que les batteries sodium‑ion offrent des performances comparables à leurs homologues lithium‑ion, le défi réside dans le développement de matériaux d’anode plus viables. C’est là que la combinaison graphène‑phosphorène entre en jeu. 

Dans une expérience scientifique, les chercheurs ont démontré son potentiel. Un matériau hybride composé de quelques couches de phosphorène intercalées entre des couches de graphène pouvait afficher une capacité spécifique de 2 440 mA h g⁻¹ (calculée en ne prenant en compte que la masse de phosphore) à une densité de courant de 0,05 A g⁻¹ et une rétention de capacité de 83 % après 100 cycles, fonctionnant entre 0 et 1,5 V. 

Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission in situ et la diffraction des rayons X ex situ pour expliquer la grande capacité de l’anode qu’ils ont développée. Ils l’ont obtenue grâce à un double mécanisme d’intercalation des ions sodium le long de l’axe x des couches de phosphorène, suivi de la formation d’un alliage Na₃P. 

Un autre matériau à couche atomique unique qui a capté l’imagination de la communauté scientifique est le germanène. L’intérêt pour le germanène porte principalement sur ses propriétés optiques. Les calculs pertinents ont montré que la feuille de germanène absorbe fortement la lumière du spectre solaire et présente une anisotropie optique. 

Le germanène est unique car il s’agit d’un semi‑conducteur à bande interdite nulle et à dispersion linéaire autour du point K. L’ouverture de la bande interdite se produit en présence d’une tension de polarisation, et elle augmente linéairement avec l’intensité croissante de la tension. 

Ainsi, non seulement le Goldene, mais également une multitude de matériaux à couche atomique unique, dont le graphène, le phosphorène, le germanène et d’autres, sont sur le point d’ouvrir de nouveaux horizons scientifiques pour les découvertes futures. 

Nous devons garder notre attention concentrée sur les propriétés de ces matériaux. Ce n’est qu’alors que nous pourrons découvrir davantage d’applications. Nous devons nous rappeler que la forte activité de surface des matériaux 2D non‑laminés en fait des catalyseurs utiles pour des réactions cruciales, telles que l’oxydation du dioxyde de carbone et la réduction de l’eau. 

Ces matériaux ont prouvé leur valeur dans le stockage et la conversion d’énergie en contribuant à la conception de piles à combustible et de cellules solaires. En optoélectronique, leurs propriétés permettent la production de diodes électroluminescentes, de lasers et de capteurs de haute qualité. Leurs propriétés d’isolation topologique aident également à créer des isolants qui conduisent l’électricité à leur surface tout en restant isolants dans le volume. 

Dans l’ensemble, les matériaux avancés à couche atomique unique sont des portes d’entrée vers une multitude d’opportunités. À l’avenir, nous assisterons assurément à une adoption généralisée ! 

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