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Les 1001 promesses des MXènes

Publié le 18 avril 2017
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Michel Barsoum, professeur à l’Université Drexel de Philadelphie (USA), vient d’obtenir une chaire d’excellence de la Fondation Nanosciences de l’UGA. Il viendra passer quelques semaines par an pendant trois ans à Grenoble, et notamment au LMGP, co-piloté par Grenoble INP, pour poursuivre ses travaux sur les « phases Max » et leurs dérivés : les « MXènes ».

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Imaginez un jeu de cartes collées les unes aux autres, que l’on décollerait peu à peu pour n’en conserver qu’une. C’est un peu de cette manière que l’on obtient une nouvelle classe de matériaux prometteurs, les MXènes, qui suscitent l’intérêt dans bien des domaines. Obtenus par exfoliation de matériaux nanolamellaires appelés phases MAX, ces matériaux bi-dimensionnels présentent en effet des propriétés exceptionnelles.
Il faut dire qu’au départ, les phases MAX présentent bien des avantages. « Ces matériaux combinent les meilleures propriétés des métaux et des céramiques, explique Thierry Ouisse, chercheur au Laboratoire des matériaux et du génie physique (LMGP). Comme les céramiques, elles présentent une bonne résistance chimique et aux chocs thermiques ; et comme les métaux, elles sont usinables, conductrices et résistantes aux chocs mécaniques. » En exfoliant les phases MAX, on obtient donc des matériaux bidimensionnels qui conservent les propriétés des métaux et celles des céramiques : les MXènes. Et, même s’il est trop tôt pour l’affirmer, certaines de ces phases deviendraient même semi-conductrices. Assemblés à d’autres matériaux 2D, les MXènes pourraient servir à fabriquer des dispositifs électroniques entièrement bidimensionnels. « De tels systèmes 2D existent déjà : on peut bien sûr citer le graphène, dont la découverte a donné lieu à l’attribution d’un prix Nobel de physique. Mais l’avantage des MXènes est qu’ils pourraient être encore plus conducteurs que le graphène. » De façon générale, ils pourraient servir à réaliser des conducteurs transparents, des super-capacités pour stocker de l’énergie, des revêtements pour couper les ondes électromagnétiques, etc. Et comme ils sont hydrophiles, ils sont aptes pour des applications de bio-capteurs.




A gauche : Une des premières images de microscopie électronique à balayage de couches de MXènes exfoliées à partir d’un grain d’une phase MAX polycristalline (M. Naguib et al, Drexel University, Electrochemistry Comm. 2012). A droite : Instabilités de croissance bidimensionnelle de cristaux de phases MAX (LMGP2011) ; image de microscopie à force atomique.

Une chaire d’excellence de la fondation Nanosciences
Michel Barsoum, professeur à l’Université Drexel de Philadelphie (USA), et « père fondateur » des phases MAX, vient d’obtenir une chaire d’excellence de la Fondation Nanosciences de l’UGA pour poursuivre l’étude de ces MXènes sur des monocristaux de grande taille. Ceux-ci permettraient en effet d’obtenir des systèmes 2D de surface plus importante, allant jusqu’à quelques centimètres carrés.
Son choix de venir à Grenoble pour ce projet tient à la conjonction unique de moyens accessibles sur un même site. En particulier, le LMGP est le seul laboratoire au monde capable de faire croître en solution des monocristaux de phases Max de grande taille. « Nous disposons au laboratoire de réacteurs de croissance à très haute température, explique Thierry Ouisse. Nous travaillons actuellement à ajuster la composition de la solution de départ, pour optimiser la qualité finale du cristal. » Les cristaux seront ensuite exfoliés mécaniquement sous atmosphère contrôlée à l’Institut Néel, puis fonctionnalisés en surface avant d’être caractérisés électroniquement à l’INAC et sur les grands instruments grenoblois (ILL et ESRF). A suivre…
 

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Rédigé par Clotilde Waltz

mise à jour le 5 mai 2017

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