Un matériau miracle de nouvelle génération longtemps hypothétique a été créé pour la première fois

Depuis plus de dix ans, les scientifiques tentent de synthétiser une nouvelle forme de carbone nommée graphyne, avec un succès limité. Cette tentative est désormais terminée, grâce à de nouvelles recherches menées par l’université du Colorado à Boulder.

Le graphyne intéresse depuis longtemps les scientifiques en raison de ses similitudes avec le « matériau miracle » qu’est le graphène, une autre forme de carbone très prisée par l’industrie, dont les recherches ont même été récompensées par le prix Nobel de physique en 2010. Cependant, malgré des décennies de travaux et de théories, seuls quelques fragments ont été créés jusqu’à présent.

Cette recherche, annoncée dans Nature Synthesis, comble une lacune de longue date dans la science des matériaux en carbone, ouvrant potentiellement de toutes nouvelles possibilités pour la recherche sur l’électronique, l’optique et les matériaux semi-conducteurs.

« L’ensemble du public, l’ensemble du domaine, est vraiment enthousiaste à l’idée que ce problème de longue date, ou ce matériau imaginaire, soit enfin réalisé », a déclaré Yiming Hu, auteur principal de l’article et titulaire d’un doctorat en chimie de 2022.

Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps à la construction d’allotropes de carbone nouveaux ou inédits, ou de formes de carbone, en raison de l’utilité du carbone pour l’industrie, ainsi que de sa polyvalence.

Les allotropes de carbone peuvent être construits de différentes manières, en fonction de l’utilisation du carbone hybridé sp2, sp3 et sp (ou des différentes manières dont les atomes de carbone peuvent se lier à d’autres éléments) et des liaisons correspondantes. Les allotropes de carbone les plus connus sont le graphite (utilisé dans des outils comme les crayons et les piles) et les diamants, qui sont créés respectivement à partir de carbone sp2 et de carbone sp3.

En utilisant les méthodes de la chimie traditionnelle, les scientifiques ont réussi à créer divers allotropes au fil des ans, notamment le fullerène (dont la découverte a été récompensée par le prix Nobel de chimie en 1996) et le graphène.

Cependant, ces méthodes ne permettent pas de synthétiser ensemble les différents types de carbone à grande échelle, comme c’est le cas pour le graphène, ce qui fait que le matériau théorique – qui aurait des propriétés uniques de conduction électronique, de mécanique et d’optique – est resté une théorie.

Mais c’est également ce besoin de matériaux non traditionnels qui a conduit les spécialistes du domaine à contacter le groupe du laboratoire de Wei Zhang.

Zhang, professeur de chimie à CU Boulder, étudie la chimie réversible, c’est-à-dire la chimie qui permet aux liaisons de s’autocorriger, permettant ainsi la création de nouvelles structures ordonnées, ou treillis, comme les polymères synthétiques de type ADN.

Après avoir été approchés, Zhang et son groupe de laboratoire ont décidé de tenter l’expérience.

La création de graphyne est une « question très ancienne, mais comme les outils de synthèse étaient limités, l’intérêt a diminué », a commenté M. Hu, qui était étudiant en doctorat dans le groupe du laboratoire de M. Zhang. « Nous avons remis le problème sur le tapis et utilisé un nouvel outil pour résoudre un vieux problème qui est vraiment important ».

Grâce à un processus appelé métathèse des alcynes – une réaction organique qui implique la redistribution, ou la coupure et la reformation, des liaisons chimiques des alcynes (un type d’hydrocarbure avec au moins une triple liaison covalente carbone-carbone) – ainsi qu’à la thermodynamique et au contrôle cinétique, le groupe a réussi à créer ce qui n’avait jamais été créé auparavant : Un matériau qui pouvait rivaliser avec la conductivité du graphène, mais avec un contrôle.

« Il y a une assez grande différence (entre le graphène et le graphyne) mais dans le bon sens », a déclaré Zhang. « Cela pourrait être la prochaine génération de matériau miracle. C’est pourquoi les gens sont très enthousiastes. »

Bien que le matériau ait été créé avec succès, l’équipe veut encore se pencher sur ses détails particuliers, notamment sur la manière de créer le matériau à grande échelle et de le manipuler.

« Nous essayons vraiment d’explorer ce nouveau matériau dans de multiples dimensions, à la fois expérimentalement et théoriquement, du niveau atomique aux dispositifs réels », a déclaré Zhang à propos des prochaines étapes.

Ces efforts devraient permettre de comprendre comment les propriétés optiques et de conduction des électrons du matériau peuvent être utilisées pour des applications industrielles telles que les batteries lithium-ion.

« Nous espérons qu’à l’avenir, nous pourrons réduire les coûts et simplifier la procédure de réaction, et qu’alors, les gens pourront réellement bénéficier de nos recherches », a déclaré M. Hu.

Pour Zhang, cela n’aurait jamais pu être accompli sans le soutien d’une équipe interdisciplinaire, ajoutant : « Sans le soutien du département de physique, sans le soutien de certains collègues, ce travail n’aurait probablement pas pu être réalisé. »

yogaesoteric
15 september 2022