Des chercheurs synthétisent des matériaux de van der Waals à basse énergie

La synthèse de matériaux à liaisons faibles représente un enjeu majeur pour les applications industrielles et technologiques. Une équipe de chercheurs internationaux a conçu une méthode de fabrication à basse température.

Des chercheurs issus de diverses institutions chinoises* ont réussi à synthétiser des matériaux en vrac à forces de van der Waals (vdW) à des températures proches de la température ambiante, allant de la température ambiante à 60 °C. Cette méthode réduit considérablement la consommation d’énergie nécessaire à leur fabrication, d’au moins un ordre de grandeur.

Les matériaux vdW en vrac et leur importance

Les matériaux vdW en vrac sont au cœur des recherches car ils sont maintenus ensemble par des forces de van der Waals faibles, contrairement aux liaisons covalentes ou métalliques fortes. Auparavant, la synthèse de tels matériaux, comme le graphite ou le nitrure de bore hexagonal, ne pouvait se faire qu’à des températures très élevées (>1000 °C).

Les chercheurs ont adopté une approche différente : au lieu de fritter directement les particules de graphite ou de nitrure de bore à de telles températures, ils ont exfolié les particules en nanofeuilles bidimensionnelles (2D) avec une consommation d’énergie très faible. Ensuite, un processus de moulage à 45 °C, voire à température ambiante, a été utilisé pour transformer ces nanofeuilles en matériaux vdW en vrac mécaniquement robustes.

Une méthode applicable à une large gamme de matériaux

La méthode développée s’applique à une vaste gamme de matériaux 2D, y compris le MXene et les dichalcogénures de métaux de transition. La faible température de fabrication permet également le marquage en surface et le façonnage in situ, ce qui est difficile avec le frittage à haute température en raison du retrait et de l’expansion thermiques.

De plus, les matériaux vdW sans additifs facilitent les applications à haute température où les composites polymères à base de matériaux 2D échouent.

Interaction vdW et résistance mécanique

L’interaction vdW est au cœur de cette découverte, conférant aux matériaux fabriqués une haute résistance mécanique. Activer l’interaction vdW ne nécessite pas de hautes températures, mais plutôt un contact nanométrique ou subnanométrique entre les nanofeuilles adjacentes. La finesse et la flexibilité des nanofeuilles 2D les rendent facilement déplaçables et déformables, facilitant la formation d’un contact intime.

De plus, les chercheurs ont découvert que l’eau adsorbée sur les nanofeuilles est un « aide au frittage » puissant qui lubrifie les nanofeuilles pour un bon alignement. L’eau confinée s’évapore ensuite des nanofeuilles et s’échappe du matériau en raison de l’effet de nano-confinement, ce qui ferme le capillaire, activant ainsi l’interaction vdW et aboutissant à un matériau vdW en vrac densifié et solide.

Implications et perspectives de la recherche

« Ce processus simplifie la fabrication et réduit la consommation d’énergie élevée associée à la production de matériaux vdW en vrac, offrant une possibilité de mise à l’échelle, et pourrait également introduire des approches innovantes dans la conception de matériaux vdW, telles que l’hybridation de divers matériaux 2D, en particulier ceux instables à hautes températures de traitement », a déclaré le Professeur SU Yang, chercheur à l’École Supérieure Internationale de Shenzhen de l’Université Tsinghua et auteur correspondant de l’article.

« Cette étude suggère une évolution des méthodes traditionnelles de traitement des matériaux par l’utilisation de nanomatériaux », a ajouté le Professeur CHENG Huiming de SIAT. Ces avancées ouvrent la voie à de nouvelles applications industrielles et pourraient transformer de nombreux secteurs en permettant la création de matériaux innovants, plus durables et économes en énergie.

* l’Institut de Technologie Avancée de Shenzhen (SIAT) de l’Académie des Sciences Chinoises (CAS), l’École Supérieure Internationale de Shenzhen de l’Université Tsinghua, l’Institut de Recherche sur les Métaux du CAS et l’Université des Sciences et Technologies de Chine du CAS

Article : « Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets » – DOI: 10.1038/s41563-024-01840-0