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Une nouvelle méthode de synthèse des matériaux joue au billard avec les ions

Posté le par Iris Borel dans Matériaux, Biotech & chimie

Une équipe de chercheurs de l'université d'Hokkaido (Japon) a développé une nouvelle méthode de synthèse des matériaux par insertion ou substitution d'ions en phase solide ouvrant la voie à la création de nouveaux matériaux avancés.

Baptisée PDII, pour « proton-driven ion introduction », cette méthode utilise un phénomène similaire à l’éjection des boules de billards par d’autres boules. Le principe de la PDII est d’appliquer un courant à haute tension (plusieurs kV) à une anode en forme d’aiguille placée dans une chambre à hydrogène. La tension génère alors des protons par dissociation de l’hydrogène. Les protons migrent le long du champ électrique et sont dirigés vers un premier matériau, source des ions que l’on souhaite introduire. Les ions (positifs) de la source sont alors eux-mêmes éjectés de la source vers le matériau hôte placé dessous où ils s’intercalent dans des espaces nanométriques entre les feuillets d’un cristal.

D’intéressants premiers essais

Dans cette étude, parue dans le Journal of American Chemical Society, l’équipe de chercheurs a réussi à introduire de manière homogène des ions lithium, sodium, potassium, cuivre et argent dans un matériau 2D, le bisulfure de tantale, tout en maintenant ses caractéristiques cristallines. L’équipe a aussi réussi à substituer des atomes de sodium à des atomes de potassium dans un Nasicon (Na-Super Ionic Conductor) de type Na3V2(PO4)3, créant ainsi un nouveau matériau thermodynamiquement stable que l’on ne peut pas obtenir par des méthodes de synthèse conventionnelle. Les chercheurs espèrent pouvoir utiliser d’autres ions dans des matériaux hôtes plus divers, ouvrant ainsi la voie pour la synthèse de très nombreux nouveaux matériaux. Reste maintenant à travailler sur une méthode similaire qui permettrait de manipuler des ions négatifs ou multivalents, notamment pour le développement de matériaux fonctionnels pour les batteries ou l’électronique.

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Copyright : Fujioka M. et al., Journal of the American Chemical Society, November 16, 2017 Les protons, générés par dissociation électrique de l’hydrogène (en bleu), viennent prendre la place d’autres ions positifs (en rouge) dans le matériau source. Ces derniers sont alors expulsés vers le cristal hôte, dans lequel ils s’insèrent entre les feuillets (symbolisés par des rangées de triangles).

Avantages par rapport à d’autres méthodes

Bien souvent, l’insertion ou la substitution d’ions sont menées dans des solutions ioniques. Outre l’aspect parfois peu pratique, ces réactions présentent plusieurs inconvénients majeurs : il est difficile de rendre l’insertion homogène et certaines molécules du solvant peuvent aussi s’insérer en plus des ions, dégradant la qualité du cristal, sans compter tous les matériaux qui ne supportent pas d’être placés dans un liquide ! Dans des méthodes à l’état solide comme le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) parfois utilisé pour l’insertion d’ions, certaines contraintes de mise en œuvre limite les possibilités : limitation de la taille des échantillons, besoin de très hautes températures. La PDII développée ici pourrait permet de se passer de ces contraintes : pas de limitations de taille, températures moins élevées (100-350°C pour le transfert d’ions cuivre, argent ou de métaux alcalins).

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Copyright : Fujioka M. et al., Journal of the American Chemical Society, November 16, 2017) Schéma de fonctionnement avec expulsion en cascades d’ions

 

Copyright : Fujioka M. et al., Journal of the American Chemical Society, November 16, 2017) Photo de l'échantillon où s'est fait la substitution
Copyright : Fujioka M. et al., Journal of the American Chemical Society, November 16, 2017)
Photo de l’échantillon où s’est fait la substitution

Par Sophie Hoguin

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Posté le par Iris Borel


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