Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d’auto-assemblage pour fabriquer des nanofeuilles 2D multicouches

(Actualités Nanowerk) À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits, les matériaux nécessaires à leur création deviennent également plus petits. La nanoscience est l'étude de matériaux extrêmement petits qui trouvent des utilisations dans les applications de stockage d'énergie, d'électronique, de santé et de sécurité et bien plus encore. Aujourd'hui, une équipe dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère américain de l'Énergie (DOE) a développé une nouvelle méthode d'auto-assemblage pour fabriquer des nanofeuilles 2D multicouches. Une nanofeuille est un matériau extrêmement petit, semblable à une lasagne, composé de couches ultrafines de polymères et de nanoparticules. Ces nanofeuilles ont considérablement réduit le nombre de défauts par rapport aux méthodes précédentes, ce qui prolongera la durée de conservation de certains appareils électroniques grand public. Étant donné que les nanofeuilles synthétisées par cette nouvelle méthode sont recyclables, cette méthode pourrait également permettre une approche de fabrication durable réduisant le nombre de pièces d'un appareil électronique devant être jetées dans les décharges. L’équipe est la première à développer avec succès un matériau barrière polyvalent et performant à partir de nanofeuilles auto-assemblées. Les chercheurs ont utilisé l'Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d'Argonne du DOE. La percée a été rapportée dans le journal Nature ("Composites fonctionnels en programmant la croissance de nanofeuilles basée sur l'entropie"). Représentation artistique de nanofeuilles empilées pour un revêtement barrière haute performance, qui nécessite une minimisation des défauts. (Image : Qingteng Zhang/Laboratoire national d'Argonne) « Notre travail surmonte un obstacle de longue date dans le domaine des nanosciences : transformer la synthèse des nanomatériaux en matériaux utiles pour la fabrication et les applications commerciales », a déclaré Ting Xu, scientifique principal du Berkeley Lab, chercheur principal qui a dirigé l'étude. "C'est vraiment excitant parce que cela a pris des décennies en préparation." L’un des défis liés à l’exploitation des nanosciences pour créer des matériaux fonctionnels réside dans la nécessité d’assembler de nombreux petits éléments. Ceci afin que le nanomatériau puisse devenir suffisamment gros pour être utile. Bien que l’empilement de nanofeuilles soit l’un des moyens les plus simples de transformer des nanomatériaux en un produit, les « défauts d’empilement » – les espaces entre les nanofeuilles – sont inévitables lorsque l’on travaille avec des nanofeuilles existantes. « Si vous visualisez la construction d'une structure 3D à partir de tuiles fines et plates, vous aurez des couches sur toute la hauteur de la structure. Mais vous aurez également des espaces dans chaque couche là où deux carreaux se rencontrent », a déclaré la première auteure Emma Vargo, ancienne chercheuse diplômée et maintenant chercheuse postdoctorale au Berkeley Lab. "Il est tentant de réduire le nombre d'espaces en agrandissant les carreaux, mais ils deviennent plus difficiles à travailler", a déclaré Vargo. Le nouveau matériau nanofeuille résout le problème des défauts d’empilement en sautant complètement l’approche des feuilles empilées en série. Au lieu de cela, l’équipe a mélangé des mélanges de matériaux connus pour s’auto-assembler en petites particules. Ils ont utilisé des couches alternées de matériaux constitutifs, en suspension dans un solvant. Des expériences à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, ont aidé les chercheurs à comprendre les premières étapes grossières de l'auto-assemblage des mélanges. Au fur et à mesure que le solvant s’évapore, les petites particules fusionnent et s’organisent spontanément, formant grossièrement des couches. Ils se solidifient ensuite en nanofeuillets denses. De cette manière, les couches ordonnées se forment simultanément plutôt que d’être empilées une par une dans un processus en série. Les petites pièces n’ont besoin que de se déplacer sur de courtes distances pour s’organiser et combler les espaces. Cela évite les problèmes liés au déplacement de « tuiles » plus grandes et les inévitables écarts entre elles. Les chercheurs ont prédit que le mélange complexe utilisé pour la présente étude aurait deux propriétés idéales. Ils s’attendaient également à ce que le nouveau système de nanofeuilles soit peu affecté par les différentes compositions chimiques de surface. Selon eux, cela permettrait au même mélange de former une barrière protectrice sur diverses surfaces, telles que l'écran de verre d'un appareil électronique ou un masque en polyester. Pour tester les performances du matériau en tant que revêtement barrière dans plusieurs applications différentes, les chercheurs ont fait appel à certaines des meilleures installations de recherche du pays. Lors d'expériences à l'APS, les chercheurs ont étudié comment un mélange de polymères, de petites molécules organiques et de nanoparticules forme un film sur la paroi interne d'un tube capillaire en quartz, lorsque le solvant s'évapore lentement dans l'air sec. "Grâce aux brillants rayons X produits par l'APS et au détecteur de rayons X sophistiqué stationné sur la ligne de faisceau 8-ID-I, nous avons pu cartographier la façon dont chaque composant s'assemble sur une large gamme d'échelles de longueur", a déclaré Argonne. le scientifique Qingteng Zhang, co-auteur de l'article. Maintenant qu'ils ont démontré avec succès comment synthétiser facilement un matériau fonctionnel polyvalent pour diverses applications industrielles à partir d'un seul nanomatériau, les chercheurs prévoient d'affiner la recyclabilité du matériau. Ils ajouteront également la possibilité d'accorder les couleurs (il est actuellement disponible en bleu) à son répertoire. L'APS fait l'objet d'une mise à niveau complète.

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• La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64533.php