Ces matériaux sont très fins (une épaisseur inférieure à 1 nanomètre), c'est pourquoi ils peuvent être utilisés pour créer des hétérostructures stratifiées, qui sont exploitées dans l'électronique moderne, des transistors aux capteurs, en passant par les cellules photovoltaïques et les diodes lumineuses. Les spécialistes de l'Université nationale de science et de technologies MISiS étudient activement les technologies d'obtention et les propriétés de nombreux nanomatériaux bidimensionnels.
La particularité principale du matériau 2D est que tous ses atomes se trouvent dans la couche superficielle. En chimie et en cristallographie cela signifie que chaque élément de surface du matériau possède une multitude de liaisons libres ou non compensées (en suspens). Cela explique l'activité chimique accrue de tels matériaux, ainsi que la différence de propriétés par rapport à l'état massif. Les liaisons libres offrent la possibilité de changer leurs fonctions grâce à la modification de la superficie.
Le matériau bidimensionnel le plus connu est le graphène, sa découverte en 2010 a été récompensée par le prix Nobel de physique. Le graphène affiche des indices élevés de conductivité électrique et thermique, et il est suffisamment résistant à l'extension. Dans le même temps, il forme des plis et il est instable en tant que couche suspendue libre à part.
Ce problème est résolu par les méthodes modernes de création de graphène «armé». De plus, ont été élaborées des technologies d'obtention de couches de graphène sans défauts de grande superficie utilisées comme des électrodes transparentes pour différents appareils. Des méthodes ont été également mises au point pour obtenir des flocons séparés d'oxyde de graphène, qui sont activement utilisés pour combler les composites polymères.
Les spécialistes étudient également des structures bidimensionnelles plus complexes telles que les MXenes, avec des propriétés uniques pour la céramique, une haute conductivité et la possibilité de déformation plastique.
En fait, chaque nouveau matériau 2D est intéressant pour la science de par ses priorités et peut être utilisé dans les appareils.
Les flocons
Les chercheurs mettent au point aujourd'hui les différents procédés d'obtention des matériaux 2D. La méthode de dépôt chimique en phase vapeur permet de créer des couches de qualité pour de nombreux matériaux bidimensionnels (même si sa réalisation coûte relativement cher). Les méthodes d'exfoliation chimique de matériaux stratifiés permettent d'obtenir des dispersions et des flocons d'une épaisseur de quelques couches atomiques.
Chaque méthode impacte significativement les propriétés du matériau obtenu. Ainsi, pour créer des dispositifs électroniques les méthodes les plus prometteuses sont celles de dépôt chimique en phase vapeur ou de dépôt de couche atomique, permettant de contrôler avec précision l'épaisseur et la dimension des éléments structurels, la pureté et la morphologie du matériau.
Bien qu'à l'heure actuelle les couches de meilleure qualité soient obtenues grâce à la méthode de dépôt chimique en phase vapeur, dans leurs premiers travaux Andre Geim et Konstantin Novoselov ont effectué des mesures sur le graphène obtenu à l'aide de ruban adhésif, sur des écailles de superficie très réduite. Aujourd'hui, les dispersions d'écailles très minces prêtes à l'utilisation sont déjà disponibles en vente libre.
Les méthodes d'obtention d'autres matériaux sont élaborées pour l'instant en laboratoire, mais dès que les chercheurs trouveront le domaine le plus prometteur de leur utilisation, la technologie ne se fera pas attendre.
Les matériaux 2D en Russie
Les collaborateurs de la Chaire de nanosystèmes fonctionnels et de matériaux à haute température de la MISiS mettent au point des chalcogènes de métaux de transition pour les éléments photovoltaïques, les diodes lumineuses et les capteurs. Ils étudient également l'oxyde de graphène en tant que revêtement améliorant la résistance anticorrosion de différents types d'acier, ainsi que les méthodes d'obtention des MXenes se présentant sous la forme de carbures stratifiés de titane et de vanadium, qui ont déjà apporté des résultats intéressants.
«La coopération active de notre collectif avec le professeur Aldo Di Carlo de l'université italienne Tor Vergata de Rome sur les nanomatériaux bidimensionnels a permis d'obtenir une grande bourse pour la création d'un nouveau laboratoire. Une grande partie des travaux du laboratoire est orientée sur l'exploitation de plusieurs types de nanomatériaux bidimensionnels pour créer des cellules photovoltaïques à pérovskites», a déclaré à Sputnik le chercheur en chef de la chaire Dmitri Mouratov.
Selon ce dernier, c'est un exemple de coopération efficace: les experts en science des matériaux synthétisent et étudient les propriétés de nouveaux matériaux qui conviennent le mieux pour les cellules photovoltaïques, les spécialistes des dispositifs semi-conducteurs créent eux-mêmes des dispositifs et étudient leurs paramètres de travail.
«De plus, nous coopérons activement pour obtenir et étudier les propriétés des composites avec le Centre des matériaux composites de la MISiS, le groupe d'Andreï Stepachkine. J'ai présenté un rapport sur notre travail sur les compostes avec le nitrure de bore nanostructurel aux collègues étrangers, par exemple en Espagne à la conférence ISMANAM», a déclaré Dmitri Mouratov.
Il a expliqué que les chercheurs de l'université MISiS ont créé des composites qui conduisent la chaleur bien mieux que le plastique à renfort de verre traditionnel. La base polymère est un polyéthylène de haute densité, rempli avec le nitrure de bore traité pour atteindre les propriétés nécessaires. Du point de vue de transformation secondaire les matériaux obtenus s'avèrent plus bénéfiques par rapport aux analogues répandus, de plus ils sont capables de régler le problème de surchauffe du circuit imprimé dans l'électronique.
La coopération internationale
Aujourd'hui, l'université MISiS développe activement la coopération dans le domaine de synthèse des matériaux bidimensionnels et d'étude de leurs propriétés avec l'université du Nebraska à Lincoln (Etats-Unis). Elle a commencé après l'annonce à l'université MISiS dans le cadre du programme fédéral Projet 5-100 de concours visant à développer l'infrastructure. Ces concours prévoient l'invitation d'un chercheur en chef pour diriger le collectif scientifique et mener les recherches sur un thème prometteur.
«Nous avons invité le professeur Alexandre Sinitski, qui travaille principalement à l'université du Nebraska à Lincoln. En 2016, nous avons déposé une requête conjointe sur les nanomatériaux bidimensionnels pour l'un des concours et l'avons remporté. Après cela a commencé notre coopération active dans le cadre de laquelle j'ai fait un stage aux Etats-Unis au laboratoire d'Alexandre pour appliquer l'expérience obtenue pour créer une base expérimentale dans notre chaire également», explique Dmitri Mouratov.
Selon lui, cela a conduit à un échange international d'expérience de maîtres, de docteurs et de collaborateurs de la chaire. La collaboration a débouché sur la publication de plusieurs travaux conjoints sur les nanomatériaux bidimensionnels dans les plus grandes revues internationales et sur la mise au point d'un dispositif pour leur synthèse par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur.
«De très bons résultats ont déjà été obtenus sur la conductivité du matériau obtenu et la possibilité d'obtenir des couches très minces et conductrices de MoO2 (de cristaux en l'occurrence) stables dans l'air sur des supports de nature différente. Nous utiliserons les résultats obtenus dans nos futures recherches», a déclaré Dmitri Mouratov.
D'après le chercheur, le nouveau matériau pourra être utilisé pour créer des hétérostructures et des nanosystèmes — des transistors, des capteurs, des capteurs photo et ainsi de suite. A présent les matériaux créés par l'université MISiS conjointement avec l'université du Nebraska à Lincoln sont utilisés comme des couches de transport pour les cellules photovoltaïques à couche mince, les diodes lumineuses et les capteurs. Se développe également le domaine de création de composites à matrice polymère remplis de nanomatériaux bidimensionnels.
