Développer le nano pour une fabrication durable

Développée par une équipe dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), la nouvelle nanofeuille auto-assemblée pourrait prolonger considérablement la durée de conservation des produits de consommation. Et comme le nouveau matériau est recyclable, il pourrait également permettre une approche de fabrication durable qui évite que les emballages à usage unique et les appareils électroniques ne finissent dans les décharges.

L’équipe est la première à développer avec succès un matériau barrière polyvalent et performant à partir de nanofeuilles auto-assemblées. Cette avancée a été rapportée en ligne dans le numéro du 8 novembre de la revue. Nature.

“Notre travail surmonte un obstacle de longue date dans le domaine des nanosciences : transformer la synthèse des nanomatériaux en matériaux utiles pour les applications manufacturières et commerciales”, a déclaré Ting Xu, le chercheur principal qui a dirigé l’étude. “C’est vraiment excitant parce que cela a pris des décennies.”

Xu est chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur de chimie, de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley.

L’un des défis liés à l’exploitation des nanosciences pour créer des matériaux fonctionnels est que de nombreux petits morceaux doivent être assemblés pour que le nanomatériau puisse croître suffisamment pour être utile. Et 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 ou des nanoplaquettes 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 tuiles se rencontrent”, a déclaré la première auteure Emma Vargo, une ancienne chercheur étudiant diplômé dans le groupe Xu et maintenant chercheur postdoctoral à la division des sciences des matériaux du 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 avec des couches alternées de matériaux composants, en suspension dans un solvant. Pour concevoir le système, les chercheurs ont utilisé des mélanges complexes de nanoparticules, de petites molécules et de supramolécules à base de copolymères séquencés, tous disponibles dans le commerce.

Les expériences menées à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d’Oak Ridge ont aidé les chercheurs à comprendre les premières étapes grossières de l’auto-assemblage des mélanges. À mesure que le solvant s’évapore, les petites particules fusionnent et s’organisent spontanément, formant grossièrement des couches, puis se solidifient en nanofeuilles 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, évitant ainsi les problèmes liés au déplacement de « tuiles » plus grandes et les inévitables espaces entre elles.

D’après une étude précédente dirigée par Xu, les chercheurs savaient que la combinaison de mélanges de nanocomposites contenant plusieurs « éléments de base » de différentes tailles et compositions chimiques, y compris des polymères complexes et des nanoparticules, non seulement s’adapterait aux impuretés, mais débloquerait également l’entropie d’un système, le désordre inhérent à des mélanges de matériaux que le groupe de Xu a exploités pour distribuer les éléments de base du matériau.

La nouvelle étude s’appuie sur ces travaux antérieurs. Les chercheurs ont prédit que le mélange complexe utilisé pour la présente étude aurait deux propriétés idéales : en plus d’avoir une entropie élevée pour conduire l’auto-assemblage d’un empilement de centaines de nanofeuilles formées simultanément, ils s’attendaient également à ce que le nouveau système de nanofeuilles soit peu affecté par les différentes chimies 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.

Démontrer la facilité d’auto-assemblage et les hautes performances d’une nouvelle nanofeuille 2D

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.

Au cours d’expériences à la source de photons avancée du Laboratoire national d’Argonne, les chercheurs ont cartographié la manière dont chaque composant s’assemble et quantifié leurs mobilités et la manière dont chaque composant se déplace pour développer un matériau fonctionnel.

Sur la base de ces études quantitatives, les chercheurs ont fabriqué des revêtements barrières en appliquant une solution diluée de polymères, de petites molécules organiques et de nanoparticules sur divers substrats : un bécher et une membrane en téflon, un film de polyester, des films de silicium épais et minces, du verre et même un prototype d’un dispositif microélectronique – puis contrôler le taux de formation du film.

Des expériences au microscope électronique à transmission à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab montrent qu’au moment où le solvant s’est évaporé, une structure en couches hautement ordonnée de plus de 200 nanofeuilles empilées avec une très faible densité de défauts s’était auto-assemblée sur les substrats. Les chercheurs ont également réussi à fabriquer chaque nanofeuille d’une épaisseur de 100 nanomètres avec peu de trous et d’interstices, ce qui rend le matériau particulièrement efficace pour empêcher le passage de la vapeur d’eau, des composés organiques volatils et des électrons, a déclaré Vargo.

D’autres expériences menées à la Fonderie Moléculaire ont montré que le matériau avait un grand potentiel en tant que diélectrique, un matériau isolant de « barrière électronique » couramment utilisé dans les condensateurs pour le stockage d’énergie et les applications informatiques.

En collaboration avec des chercheurs du domaine des technologies énergétiques du laboratoire de Berkeley, Xu et son équipe ont démontré que lorsque le matériau est utilisé pour recouvrir des membranes poreuses en téflon (un matériau couramment utilisé pour fabriquer des masques de protection), il est très efficace pour filtrer les composés organiques volatils qui peuvent compromettre la qualité de l’air intérieur.

Et lors d’une dernière expérience menée dans le laboratoire de Xu, les chercheurs ont montré que le matériau pouvait être redissous et refondu pour produire un nouveau revêtement barrière.

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 et d’ajouter l’accordabilité des couleurs (il est actuellement disponible en bleu) à son répertoire.

Les autres auteurs de l’article sont Le Ma, He Li, Qingteng Zhang, Junpyo Kwon, Katherine M. Evans, Xiaochen Tang, Victoria L. Tovmasyan, Jasmine Jan, Ana C. Arias, Hugo Destaillats, Ivan Kuzmenko, Jan Ilavsky, Wei- Ren Chen, William Heller, Robert O. Ritchie et Yi Liu.