Le simple étalement de gouttelettes contenant des composants moléculaires à la surface de l’eau conduit à la formation spontanée de nanostructures à très haute conduction électrique. Crédit : Rie Makiura, Université de la préfecture d’Osaka
La propagation spontanée du pétrole sur l’eau à grande échelle inspire une voie facile d’économie d’énergie pour la fabrication de nanostructures conductrices d’électricité pour les futurs dispositifs de capteurs/d’énergie.
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 pour les capteurs de nouvelle génération et les 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 aujourd’hui (28 octobre 2021) dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.
“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 charpentes métallo-organiques, qui sont microporeuses et composées d’ions métalliques et de lieurs organiques hautement organisés. Appelé MOF, ils ont une myriade d’applications potentielles des nanotechnologies aux sciences de la vie, selon Makiura, mais une propriété non réalisée les retient d’une utilisation réalisée – 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 ultraminces avec une taille de pores définie, une direction de croissance bien contrôlée et une épaisseur de film sont une nécessité et ont été activement recherchées, », a déclaré Makiura.
La plupart des développements antérieurs de films minces MOF impliquent l’exfoliation des couches de cristaux plus gros et leur placement sur un substrat. Selon Makiura, cependant, ce processus est compliqué et donne souvent 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 nanofeuillets se forment à l’endroit où le liquide et l’air se rencontrent. Une fois la formation des nanofeuilles terminée, les chercheurs ont utilisé deux barrières pour compresser les nanofeuilles dans un état plus dense et continu.
C’est une approche simplifiée pour produire des nanofeuilles incroyablement minces avec des structures cristallines hautement organisées, selon Makiura. Les chercheurs ont confirmé la structure uniforme passant par analyse microscopique et cristallographique aux rayons X. Les cristaux étroitement ordonnés visualisés indiquaient également les propriétés électriques du matériau, car les cristaux étaient uniformément en contact dans chaque feuille, ce qui facilitait également le 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, doctorant supervisé par Makiura.
Les chercheurs étudient maintenant comment divers paramètres affectent la morphologie des nanofeuillets, dans le but de développer une méthodologie contrôlable et ajustable pour créer des nanofeuilles de haute qualité avec des propriétés électroniques ciblées.
“Notre assemblage de bas en haut polyvalent et simple de composants de construction moléculaire 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 interfaciale air/liquide pour créer une grande variété de nanofeuillets pour une utilisation réelle dans de nombreuses applications potentielles, y compris pour les dispositifs de création d’énergie et les catalyseurs.”
Référence : « Nanofeuilles à structure métallique et organique à orientation uniaxiale et conductrices d’électricité assemblées aux interfaces air/liquide » 28 octobre 2021, Matériaux et interfaces appliqués ACS.
DOI : 10.1021/acsami.1c16180
Les autres contributeurs incluent Akihiro Nomoto, Département de chimie appliquée, Université de la préfecture d’Osaka ; Takeshi Watanabe et Ichiro Hirosawa, Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron ; Tatsuyuki Makita et Jun Takeya, Material Innovation Research Center et Department of Advanced Materials Science, Université de Tokyo.
Ce travail a été soutenu par la Société japonaise pour la promotion des sciences KAKENHI numéros Grant JP19H05715 (Grant-in-Aid pour la recherche scientifique sur la zone innovante: Matériaux fonctionnels aquatiques), JP16H05968, JP16K13610, JP20H02551, JP21J13884 (bourses de recherche pour les jeunes chercheurs), la Fondation Mazda et Fondation Masuya Kinen Kenkyu Shinko, Japon. Les expériences de diffraction des rayons X synchrotron ont été réalisées sur les lignes de lumière BL19B2 et BL46XU, PRINTEMPS-8 (2016B1862, 2017A1569, 2017B1899, 2018A1559, 2018A2065, 2018A2066, 2018B1802, 2018B1840, 2019A1771, 2019B1860, 2019B1857). Les expériences de spectroscopie photoélectronique à rayons X et de microscopie électronique à transmission ont été réalisées au NAIST, avec le soutien du programme de plate-forme de nanotechnologie (Synthèse de molécules et de matériaux) du ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT), Japon (NPS17064).
