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À la découverte des MXenes, de nouveaux matériaux 2D inspirés du graphène

Posté le 14 mars 2019
par Arnaud Moign dans Chimie et Biotech

Découverts en 2011 à l’université de DEXEL aux États-Unis, les MXenes sont une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels aux propriétés exceptionnelles. Encore mal connus à ce jour, ces matériaux intéressent naturellement les chercheurs du monde entier, qui veulent comprendre comment ils fonctionnent, afin de mieux en maîtriser la synthèse et l’usage. Et des usages il y en a : antennes de télécommunication, technologies portables, stockage de l’énergie... les applications sont nombreuses !

Les matériaux 2D, une famille qui ne cesse de s’agrandir

Les matériaux 2D – ou matériaux bidimensionnels – sont en réalité des objets 3D d’une finesse extrême, limitée à une épaisseur atomique, ou à quelques atomes. Si le plus connu d’entre eux est le graphène, isolé en 2004 en détachant des feuilles de graphite extrafines, son application en électronique reste problématique, car il n’est pas semi-conducteur. Heureusement, d’autres matériaux ont depuis été synthétisés pour combler ce manque. C’est par exemple le cas du silicene, du germanène, du stanène ou encore du phosphorène. Mais là encore, des inconvénients subsistent : ces matériaux sont rarement stables ou s’oxydent rapidement.

La nouvelle catégorie des MXenes

Les MXenes sont produits à partir de matériaux ternaires, c’est-à-dire constitués de trois éléments de type carbures ou nitrures. Si leur composition n’est pas nouvelle en soi, les céramiques massives entrant dans cette catégorie, appelées phases MAX, ont la particularité de présenter une structure hexagonale et d’être ductiles. Ces céramiques s’appellent ainsi en raison de leur formulation Mn+1AXn où M est un métal de transition, A un élément de type aluminium ou silicium et X est du carbone ou de l’azote, avec n=1, 2 ou 3.

Les MXenes s’obtiennent généralement par exfoliation, c’est à dire en dissolvant la phase A dans de l’acide fluorhydrique. Ce procédé permet ainsi de passer d’un matériau massif à des nanofeuilles quasi bidimensionnelles. L’exemple le plus célèbre de MXene est Ti3C2, le premier nanocristal élaboré à l’université Drexel à partir de la MAX phase Ti3AlC2.

Mieux comprendre les MXenes

Les MXenes peuvent être utilisés pour la désalinisation de l’eau de mer, la capture de produits chimiques ou encore, la fabrication d’antennes. Mais pour passer au stade d’industrialisation, les propriétés de ces matériaux doivent être totalement maîtrisées. C’est ce que cherche à faire l’équipe de chercheurs du professeur Yury Gogotsi depuis leur découverte des MXenes en 2011. Car si à l’heure actuelle ils savent que les MXenes sont d’excellents conducteurs électriques, extrêmement résistants et capables de bloquer les interférences électromagnétiques, ils ne savent pas précisément pourquoi. Pour tenter d’en savoir plus, la dernière étude de l’Université de Drexel s’est donc concentrée sur la caractérisation de ces matériaux par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et par spectroscopie de perte d’énergie.

Selon les chercheurs, l’optimisation de ces nanomatériaux nécessite de contrôler “ce qui se passe entre les nanofeuilles”. En effet, comme les espèces atomiques qui subsistent après exfoliation varient en fonction du décapant utilisé et de la nature de la phase MAX, l’équipe de chercheurs supposait que cela influençait la conductivité. Les résultats obtenus pour 3 des principaux MXenes, sur les 30 produits par l’université de Drexel, ont ainsi confirmé leurs hypothèses.

 

Les MXenes en phase d’optimisation

L’optimisation des MXenes est donc en bonne voie. Il reste cependant à résoudre un problème important : améliorer la stabilité de ces matériaux dans des conditions atmosphériques, ce qui permettrait d’augmenter leur durée de vie.

Source.

Légende en Une de l’article : Cliché MEB de feuilles de MXenes, vue en coupe (Source : Université de Dexel)

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