Les MXenes (prononcés comme le prénom « Maxine ») sont une classe de matériaux bidimensionnels, identifiés il y a seulement 14 ans, qui présentent un potentiel remarquable pour le stockage d’énergie, les catalyseurs, les composites légers ultrarésistants, et diverses autres applications allant du blindage électromagnétique à une encre capable de conduire le courant.
Mais la fabrication des MXenes a été coûteuse, difficile et rudimentaire.
« Les MXenes ont été fabriqués par un processus très élaboré, en plusieurs étapes, qui impliquait des jours de travail à haute température, puis l’utilisation de produits chimiques dangereux comme l’acide fluorhydrique, et générait beaucoup de déchets », a déclaré le professeur Dmitri Talapin de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME) et du Département de Chimie. « Cela pouvait convenir à la recherche en phase initiale et à l’exploration en laboratoire, mais est devenu un obstacle majeur pour passer à l’étape suivante des applications à grande échelle. »
Talapin a dirigé une équipe de chercheurs de l’Université de Chicago, de l’Université de l’Illinois à Chicago et de l’Université Vanderbilt qui a développé une nouvelle technique pour synthétiser les MXenes bidimensionnels atome par atome, en partant de la base.
Ce travail, rendu possible par le Centre NSF pour l’innovation chimique sur la synthèse, la modulabilité et la réactivité des MXenes (M-STAR) et récemment publié dans Nature Synthesis, a utilisé la déposition chimique en phase vapeur pour créer des MXenes « au moins deux ordres de grandeur » moins chers que ceux synthétisés par les méthodes traditionnelles, a déclaré Talapin, professeur distingué Ernest DeWitt Burton de l’Université de Chicago.
« Ce qui est passionnant dans cet article, c’est que c’est une nouvelle façon de faire de la synthèse chimique, en utilisant un nouvel ensemble de précurseurs organiques, qui nous permet d’obtenir ces matériaux 2D plus efficacement », a ajouté le co-auteur le professeur De-en Jiang, titulaire de la chaire H. Eugene McBrayer en génie chimique à l’Université Vanderbilt.
La nouvelle méthode de fabrication de ce matériau futuriste s’est inspirée d’un article obscur d’une légende de la chimie, publié en 1986.
« Nous sommes tombés sur un article oublié du grand John Corbett de l’Université d’État de l’Iowa, que très peu de gens connaissaient et qui montrait la chimie que nous avons trouvée inspirante pour le développement de nos idées », a expliqué Talapin.
L’article de Corbett décrivait une méthode de synthèse du chlorure de zirconium carbure en couches, qui est structurellement similaire à un matériau différent décrit pour la première fois 25 ans plus tard : le MXene.
« Sculpter un livre »
Créés par des chercheurs de l’Université Drexel en 2011, les MXenes sont des couches de métaux de transition sculptées si finement au niveau atomique qu’elles sont mieux décrites comme bidimensionnelles. Des chercheurs du monde entier se tournent vers eux pour le stockage d’énergie, les catalyseurs industriels, le blindage contre les interférences électromagnétiques, l’optoélectronique et d’autres nouvelles frontières.
« Les MXenes sont largement explorés, notamment pour les applications de stockage d’énergie, car ils sont constitués de couches conductrices bidimensionnelles qui peuvent héberger des ions entre elles », a indiqué le co-auteur Noah Mason, doctorant et boursier de recherche diplômé de la NSF dans le laboratoire de Talapin. « Ils ont également des groupes de surface modulables, qui peuvent être ajustés chimiquement pour contrôler quels ions sont stockés, la faveur de ce stockage, et l’efficacité avec laquelle les ions entrent et sortent des couches. »
Les matériaux sont remarquables, mais la méthode actuelle de fabrication est coûteuse et difficile. Les chercheurs prennent des poudres ou d’autres matériaux et en creusent l’intérieur avec du fluorure d’hydrogène, des sels fondus ou d’autres produits chimiques caustiques, puis réorganisent ce qui reste en une couche 2D d’atomes.
« C’est comme essayer de sculpter un livre dans un bloc de bois », a comparé le co-auteur le professeur Robert Klie, directeur du département de physique de l’Université de l’Illinois à Chicago. Notre nouvelle méthode construit ce livre comme il devrait l’être : page par page. »
« Le secret derrière la synthèse »
L’adaptation des techniques de synthèse décrites dans l’article de Corbett, passant de métaux comme le zirconium au titane présent dans les MXenes les plus courants, a conduit à un article dans Science en 2023, mais plusieurs obstacles subsistaient avant que la technique ne soit prête pour une large adoption.
« Dans l’article de 2023, nous n’avons pas montré un rendement ou une pureté très élevés des MXenes dans notre produit final », a déclaré Di Wang, premier auteur des articles de 2023 et 2025. « Nous ne pouvions pas dépasser 60 % en poids. Dans cet article, nous avons atteint 90 % en poids. Nous n’avons pas seulement découvert une nouvelle réaction, mais nous avons commencé à percer le secret derrière la synthèse. »
La sécurité et le coût étaient également des préoccupations, a ajouté Wang, qui était doctorant à l’Université de Chicago dans le laboratoire de Talapin pendant la recherche et est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Princeton. Par exemple, le précurseur chimique utilisé dans les travaux antérieurs – le tétrachlorure de titane – est si réactif que le chercheur Wang se souvient qu’il attaquait les pipettes en plastique lorsqu’il essayait de les utiliser. Les nouveaux travaux utilisent le tétrachloroéthylène, un produit chimique si peu coûteux et stable qu’il est couramment utilisé pour extraire la caféine des grains de café pour les boissons décaféinées.
Talapin a affirmé que les travaux d’adaptation de la recherche de Corbett quatre décennies plus tard montrent la valeur de la recherche exploratoire pure – la science pour la science, laissant les résultats aux futurs scientifiques pour trouver des applications pratiques.
L’équipe M-STAR est bien placée pour aider, a déclaré Jiang. Le consortium permet aux chimistes d’utiliser la chimie inorganique traditionnelle, la nanosynthèse, la catalyse, ou d’autres approches interdisciplinaires novatrices, couplées à la modélisation et aux simulations informatiques, pour « attaquer les problèmes sous différents angles », a-t-il expliqué.
« Le M-STAR CCI innove avec une approche où le chimiste est au premier plan », a-t-il précisé. Ils vont utiliser les MXenes comme une plateforme pour stimuler l’innovation en chimie en travaillant avec des scientifiques des matériaux, des physiciens et des ingénieurs chimistes au sein de l’équipe. »
Citation : « Molecular organohalides as general precursors for direct synthesis of two-dimensional transition metal carbide MXenes, » Wang et al, Nature Synthesis, December 3, 2025. DOI: 10.1038/s44160-025-00946-w
Article : Molecular organohalides as general precursors for direct synthesis of two-dimensional transition metal carbide MXenes – Journal : Nature Synthesis – DOI : Lien vers l’étude
