La chimie hongkongaise du phosphore noir

Hong Kong

Brève
Hong Kong | Sciences de l’ingénieur : aéronautique, mécanique, électronique, génie civil | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique | Sciences et technologies de l’information et de la communication : TIC, télécoms, micro-nanotechnologies, informatique
18 décembre 2017

Depuis la découverte du graphène en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov, lauréat du prix Nobel de physique en 2010, l’intérêt pour les matériaux bidimensionnels (2D) croît de façon exponentielle dans diverses disciplines scientifiques. En effet, les matériaux appartement à cette catégorie possèdent des propriétés électriques, optiques, chimiques et thermiques particulièrement intéressantes pour de nombreuses applications telles que l’électronique, le stockage de l’énergie ou encore la fabrication de pièces mécaniques pour l’automobile et l’aéronautique.

En tant que nouveau membre de la famille des nanomatériaux 2D, le phosphore noir (BP) attire l’attention de nombreux laboratoire de recherche partout dans le monde grâce à ses propriétés physicochimiques uniques, notamment grâce à un gap (l’énergie qui sépare la bande de valence et la bande de conduction) faible et direct.

L’exfoliation en phase liquide, une technique simple et révolutionnaire

En ce qui concerne la production de phosphore noir, l’exfoliation en phase liquide s’avère plus efficace par rapport à l’exfoliation mécanique faite avec un mixeur de cuisine. Effectivement, les particules de BP de tailles nanométriques (appelées aussi quantum dot) exfoliées en phase liquide présentent des propriétés intéressantes pour la fabrication de cellules solaires, la théranostic (terme reprenant les mots thérapie et diagnostic, c’est-à-dire le développement de nanoparticules permettant à la fois l’imagerie médicale pour le diagnostic et la libération d’un principe actif dans l’organisme) du cancer et la conception de dispositifs photoniques.

Crédits : Elsevier – Flatchem (Volume 2, April 2017, Pages 15-37) - Les différentes formes allotropiques du phosphore

L’équipe du Professeur Shu Ping Lau de l’université Polytechnique de Hong Kong (PolyU) a investigué différentes voies de synthèse du BP, notamment à l’aide d’ultrasons.

L’exfoliation en phase liquide fait référence à la rupture des couches 2D du cristal en le plongeant dans un solvant, les ultrasons s’occupant de « dynamiter » les couches liées les unes aux autres par des liaisons chimiques faibles aussi appelées liaisons de van der Waals, facilement cassables.

Le procédé général de préparation des particules de phosphore noir ultraminces tel que les quantum dots (nanoparticules de semi-conducteur) par exfoliation en phase liquide comprend trois étapes : (i) dispersion de la matière de départ dans un milieu liquide, (ii) exfoliation par sonication et enfin (iii) la centrifugation, comme le montre le schéma suivant.

Crédits : Elsevier – Flatchem (Volume 2, April 2017, Pages 15-37)

Pendant le processus de sonication, des forces de cisaillement et une cavitation sont induites à cause de la propagation des ondes ultrasonores de haute amplitude et de cette manière décompose le cristal de phosphore noir en strates. L’avantage de cette technique réside dans sa capacité à fonctionner dans des installations de plus grandes dimensions, bien que l’air et l’eau imposent des contraintes importantes à cause de leurs propriétés oxydantes.

Bien que l’exfoliation liquide de phosphore noir puisse être maintenue stable dans divers solvants organiques pendant une longue période, le prochain défi des chercheurs sera de stabiliser la dégradation de la surface. Une voie prometteuse est la fonctionnalisation de la surface des quantum dots, c’est-à-dire appliquer un traitement en surface pour les rendre résistants aux attaques mécaniques, physiques et chimiques.

Sources :

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S245226271730020X# !
https://pdfs.semanticscholar.org/2659/5b2ed3cba9d3e2504c5cb8b9e9dc564fa4bf.pdf
http://www.nano-ecole.fr/idf/667/

Rédacteur : Vincent de Brix, Chargé de mission scientifique Hong Kong

Contact : sciences chez consulfrance-hongkong.org

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