Le monoxyde de bore, un composé binaire de bore et d’oxygène, a été signalé pour la première fois dans les années 1940. Cependant, les scientifiques n’ont pas été en mesure de déterminer la structure du matériau en raison des limitations technologiques de l’époque. En utilisant de nouvelles méthodes RMN et des outils analytiques auparavant indisponibles, une équipe de chimistes du Ames National Laboratory a finalement résolu la structure de ce composé.
La structure du monoxyde de bore était un problème de longue date, remontant à 1940. Pour le résoudre, il a fallu développer de nouvelles méthodes RMN ainsi que l’application de la diffraction des rayons X (XRD), de l’analyse thermogravimétrique (TGA), de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), de la radiographie la spectroscopie photoélectronique (XPS) et la microscopie électronique à transmission (TEM). Crédit image : Laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie.
« Au départ, nous ne cherchions pas vraiment à étudier ce matériau particulier », a expliqué le Dr Frédéric Perras, auteur principal d’un article publié dans le Journal de l’American Chemical Society.
“Nous essayions en fait de créer un cadre organique covalent sans carbone.”
« Une charpente organique covalente est un matériau de faible densité et poreux avec une structure cristalline périodiquement ordonnée. Il est composé de molécules organiques liées entre elles par des liaisons covalentes.
“Cependant, après de nombreux essais de synthèse, nous n’avons pas pu obtenir de matériau de charpente organique covalent hautement cristallin”, a ajouté le Dr Wenyu Huang, auteur principal de l’article.
Les chercheurs ont fini par fabriquer un matériau à base de bore qui, selon eux, était difficile à caractériser.
Grâce à leurs recherches, ils sont tombés sur une littérature datant de 1940 qui contenait des descriptions de la réaction exacte sur laquelle l’équipe travaillait et la synthèse d’un matériau appelé monoxyde de bore.
Malheureusement, les scientifiques précédents n’ont pas été en mesure de déterminer la structure du matériau.
Heureusement, la technologie pour la recherche sur les matériaux a progressé depuis les années 1940.
“En raison de notre expertise en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire et du développement de nouvelles méthodes auxquelles les personnes dans les années 40, 50 et 60 n’avaient pas accès, nous avons pensé que nous pourrions être en mesure de résoudre ce mystère vieux de près d’un siècle. », a déclaré le Dr Perras.
« Le monoxyde de bore est fabriqué à l’aide d’une molécule précurseur qui agit comme des blocs de construction. Ces molécules se collent par des réactions de déshydratation. La clé pour comprendre la structure est de comprendre comment les blocs sont physiquement disposés.
“Nous avons donc développé des méthodes RMN qui nous permettent d’étudier l’orientation de ces blocs de construction les uns par rapport aux autres.”
“Fondamentalement, nous avons constaté que les molécules précurseurs adjacentes s’organisaient parallèlement les unes aux autres, ce qui correspondait à l’un des modèles précédemment proposés.”
“Nous avons également appliqué de nombreuses autres techniques, y compris la diffraction des rayons X sur poudre, qui a montré que ces nanofeuilles s’organisaient en ce qu’on appelle un arrangement turbostratique.”
Ces nanofeuilles empilées sont comme une pile de papier jetée sur un bureau. Une fois qu’ils atterrissent, ils ne sont pas parfaitement alignés, mais ils restent dans une pile.
“Il y a eu beaucoup d’intérêt récemment pour la synthèse de nouveaux matériaux 2D à base de bore”, a déclaré le Dr Perras.
“Comprendre la structure de celui-ci pourrait conduire à la synthèse d’autres matériaux 2D utiles à base de bore.”
“Ce qui m’excite vraiment, c’est juste le fait qu’il s’agit d’un vieux problème. C’est un matériau tellement basique; quand vous écrivez la formule chimique, c’est du monoxyde de bore.
“Donc, il est intéressant de ce point de vue que nous ayons finalement résolu sa structure.”
