Borophène – Un nouveau chapitre dans le développement de matériaux 2D

Synthétisé pour la première fois en 2015, le borophène, une feuille de bore 2D cristalline anatomiquement mince, a déjà attiré l'attention des scientifiques du monde entier. Décrit comme "le nouveau matériau miracle" en raison de sa flexibilité anisotrope et de sa métallicité uniques, il a le potentiel de révolutionner les batteries, les capteurs et la chimie catalytique. Cet article résume la synthèse, les propriétés et les applications potentielles du borophène.

Synthèse et propriétés

Alors que le graphène prend une forme unique, le borophène est un polymorphe, qui peut avoir de nombreuses configurations de réseau. Théoriquement, il peut y avoir plus de 1000 formes de borophène, chacune avec des caractéristiques différentes. Le borophène a été synthétisé pour la première fois par un groupe international de scientifiques dans des conditions de vide ultra poussé à l'aide d'une source atomique de bore solide. Un substrat d'argent nettoyé atomiquement a été utilisé pour fournir une surface bien définie et inerte pour la croissance du borophène. Sur place la caractérisation électronique a soutenu les prédictions théoriques selon lesquelles le polymorphe de borophène qu'ils avaient fabriqué avec succès était métallique et formait des structures planes avec une ondulation anisotrope. Sa structure ondulée a ensuite été attribuée à la très faible rigidité en flexion du borophène (c'est-à-dire le moment nécessaire pour produire une rotation unitaire) et à sa réactivité vis-à-vis de l'argent. Les auteurs ont démontré que les propriétés électroniques et mécaniques du borophène produit étaient hautement anisotropes.

Depuis sa découverte initiale, de nombreuses études ont été menées sur la supraconductivité, mécanique, électronique et propriétés optiques de différents polymorphes de borophène. Le borophène a maintenant été fabriqué à l'aide d'un certain nombre de substrats différents, notamment l'or, le cuivre et l'aluminium. Une percée significative a eu lieu en 2019 lorsque le borophène autonome a été synthétisé pour la première fois à l'aide d'un processus évolutif.

Le borophène est solide, flexible et transparent . C'est un bon conducteur de chaleur et d'électricité, et il est également supraconducteur. Selon certaines prédictions informatiques, le borophène peut passer à la supraconductivité à des températures plus élevées que le graphène. Les calculs de premier principe ont indiqué que la température de transition supraconductrice peut atteindre 24,7 K pour certains polymorphes de borophène, ce qui est beaucoup plus élevé que les 8,1 K prédits par calcul et observés expérimentalement 7,4 K dans le graphène. L'anisotropie de ses propriétés mécaniques et électriques le rend accordable, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles les scientifiques et les ingénieurs sont enthousiasmés par ses applications potentielles. Comprendre comment caractériser et contrôler la structure atomique du borophène sera crucial pour l'incorporation de borophène avec les propriétés souhaitées dans les produits.

Alors que de nombreux chercheurs sont enthousiasmés par les propriétés uniques du borophène, il existe des obstacles importants à la commercialisation de ce matériau. Premièrement, le borophène a une réactivité chimique relativement élevée et peut donc être difficile à manipuler à température ambiante. Il reste relativement difficile à fabriquer même en petite quantité. Comme de nombreux matériaux 2D, le borophène est sujet à l'oxydation. Ceci est généralement considéré comme désavantageux, cependant, l'oxydation peut être utilisée pour améliorer la stabilité de la structure et pour adapter ses propriétés.

Applications du Borophène

Un large éventail d'applications exploitant les propriétés uniques du borophène émergent déjà, par exemple :

Électronique flexible : Les matériaux 2D peuvent permettre le développement d'appareils électroniques hybrides à échelle réduite conçus pour exploiter leurs qualités supérieures. Les chercheurs pensent que la structure ondulante inhabituelle du borophène conférerait une grande extensibilité si le borophène était transféré sur un substrat élastomère. En d'autres termes, il peut être possible de fabriquer des dispositifs utilisant du borophène qui peuvent être déformés puis reprendre leur forme d'origine. Le borophène étant conducteur, il peut s'avérer très adapté aux dispositifs électroniques flexibles. L'un des principaux défis auxquels sont confrontés les chercheurs est que, comme de nombreux matériaux 2D, le borophène est très sensible à l'environnement externe et, à ce jour, il n'a pas montré de stabilité et de fiabilité à long terme lorsqu'il est utilisé dans des appareils électroniques. Les chercheurs développent actuellement de nouvelles techniques d'imagerie pour capturer le mouvement d'atomes individuels dans des matériaux 2D afin de comprendre les modes de défaillance potentiels dans les appareils électroniques.

Électrodes de batterie : Les batteries lithium-ion sont devenues omniprésentes dans les appareils électroniques en raison de leur haute densité de puissance et de leur longue durée de vie. Ces dernières années, les batteries sodium-ion sont également devenues de plus en plus courantes en raison de leur faible coût de fonctionnement et de leur grande sécurité de fonctionnement. La morphologie unique des matériaux 2D permet une diffusion rapide des ions et en fait des candidats appropriés pour une utilisation en tant qu'électrodes. Le borophène est un matériau d'électrode très prometteur pour les batteries lithium-ion et sodium-ion en raison de sa capacité de stockage élevée, ce qui se traduit par une densité de puissance et des performances électrochimiques extrêmement élevées. Une étude récente a rapporté que la capacité de stockage du borophène est la plus élevée de tous les matériaux 2D étudiés à ce jour.

Catalyse : Les matériaux 2D sont très prometteurs pour une utilisation en tant que catalyseurs en raison de leurs propriétés uniques, notamment de grandes surfaces et de nouveaux états électroniques. Le borophène peut être utilisé comme catalyseur dans le dégagement d'hydrogène, la réduction d'oxygène et la réduction électrochimique du dioxyde de carbone. La réduction électrochimique du dioxyde de carbone, en particulier, a un potentiel énorme pour contribuer aux efforts de lutte contre le changement climatique. Cependant, les progrès ont été lents en raison du manque de catalyseurs stables et efficaces.

Stockage d'hydrogène : L'hydrogène a la plus haute énergie par masse de tous les carburants. Ces dernières années, la recherche sur les systèmes de stockage d'hydrogène est devenue de plus en plus répandue, stimulée par la demande de stockage d'énergie et l'avancement des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible. Il a été démontré que le borophène a une capacité de stockage d'hydrogène impressionnante, en partie en raison de la faible masse des atomes de bore. L'énergie de liaison de l'hydrogène moléculaire à la feuille de bore est plus forte que celle du graphène.

Capteurs de gaz : Les propriétés d'adsorption de gaz du borophène le rendent adapté aux applications de détection de gaz pour différents gaz, notamment l'éthanol, le monoxyde de carbone, le phosgène et le formaldéhyde. Les matériaux 2D ont démontré un potentiel important pour le développement de capteurs de gaz en raison de leurs structures électroniques uniques et de leurs grands rapports surface/volume.

Conclusion

Le Le développement de matériaux 2D est l'une des frontières les plus passionnantes de la recherche sur les matériaux aujourd'hui. La synthèse guidée par ordinateur du borophène, un peu plus d'une décennie après la synthèse du graphène, peut être considérée comme un modèle pour le développement de nouveaux matériaux 2D. Des défis techniques importants subsistent dans le développement du borophène, par exemple, l'intensification des processus de fabrication, mais ses qualités uniques et sans précédent sont susceptibles de révéler de nouveaux horizons dans l'électronique flexible, la batterie et la technologie des capteurs.