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Découverte d'un graphène nanoporeux fonctionnel
Cette étude nous présente un allotrope de carbone bidimensionnel révolutionnaire et fonctionnel, une nouvelle forme de carbone qui surmonte un obstacle majeur à l'utilisation du graphène dans l'électronique. Ce nouveau matériau est très stable en présence d'oxygène et d'air et, en raison de la nature chimiquement active de ses nanopores, il a une grande affinité pour les molécules telles que le monoxyde de carbone (CO). Grâce à cette double fonctionnalité, la découverte ouvre la voie à la fois à des technologies de semi-conducteurs plus rapides et plus efficaces et à des capteurs chimiques hautement sensibles pour la surveillance des polluants environnementaux.
Le carbone est l'un des éléments les plus adaptables du tableau périodique et apparaît souvent sous des formes très différentes, comme le graphite et le diamant. Parmi les formes bidimensionnelles du carbone (2D), le graphène a fasciné la communauté scientifique en raison de sa résistance et de sa conductivité exceptionnelles. Cependant, le graphène immaculé n'a pas de bandes interdites, ce qui signifie qu'il agit comme un métal et non comme un semi-conducteur. Cela limite considérablement l'utilisation du graphène dans l'électronique numérique, car les transistors nécessitent des matériaux qui peuvent être activés et désactivés de manière contrôlée. Pour surmonter cet obstacle, une étude dirigée par le Dr Martina Corso (CFM-MPC), le professeur Aran Garcia-Lekue (DIPC) et le Dr Ignacio Piquero-Zulaica (CFM-MPC), publiée dans la revue Advanced Materials, décrit un allotrope de carbone 2D jusqu'à présent inconnu. Ce nouveau matériau combine la structure de base du graphène avec des nanopores de type [18]-anulène et des segments de biphénylène. Dans ces segments de biphénylène, des anneaux de huit membres sont présentés en alternance avec des anneaux de quatre membres (voir figure 1).
La clé de cette avancée réside dans la précision atomique obtenue grâce à la synthèse de surface (OSS) et à l'application de la conception «bottom-up» (bottom-up). Les groupes de travail du professeur Sinitskii (Université du Nebraska) ont conçu des précurseurs moléculaires spécifiques. Lorsque ces précurseurs sont placés sur une surface d'or et chauffés de manière contrôlée à l'état de vide ultraviolet (UHV), ils sont assemblés en 12 pGNR, puis fusionnés côte à côte (voir figure 2). Ce processus élimine les défauts structurels typiques de la synthèse conventionnelle et permet la création d'une structure continue de graphène nanoporeux (NPG) avec un motif périodique d'anneaux de quatre, six et huit membres, comme le montrent les mesures effectuées à l'aide d'un microscope à effet tunnel à basse température (LT-STM) et d'un microscope à force atomique sans contact (nc-AFM) (dans ces microscopes, les points sont utilisés avec une molécule fonctionnalisée). En contrôlant la géométrie exacte de ces anneaux et pores, les scientifiques sont en mesure de déterminer comment les électrons vont se déplacer dans le matériau et de programmer ainsi le comportement électrique et mécanique de ce matériau.
figure 2: Schéma de synthèse en surface (OSS) d'une structure de graphène nanoporeux (NPG) contenant des nanopores séparés par des périodes et des segments de biphénylène (BP). Le modèle OSS a été créé par le Dr Bernhard Kretz.
Le point de départ de la conception est constitué de nanocouches de graphène (GNR) de type «fauteuil», d'une largeur de 12 atomes de carbone. Les pores d'anulène (12-pGNR) y sont stratégiquement introduits. Ces nanopores agissent comme des interruptions dans le réseau hexagonal et modifient considérablement la structure des bandes électroniques du matériau, comme on l'a vu avec la spectroscopie de photoémissime décidée en angle (ARPES). Le graphène standard permet un flux d'électrons sans restriction, mais l'utilisation de ces pores de taille nanométrique crée cette bande interdite nécessaire pour la semi-conductivité. La façon dont ces bandes sont connectées, que ce soit par des liaisons de type graphène (NPG-G) ou de type biphénylène (NPG-BP), le matériau obtenu aura une bande interdite directe ou indirecte, offrant une polyvalence sans précédent pour la conception électronique.
D'un point de vue technique, les propriétés mécaniques de ce nouvel allotrope présentent des avantages significatifs. Bien que la présence de pores diminue l'extrême rigidité intrinsèque caractérisée par le graphène pur, les unités de biphénylène contribuent à réduire l'anisotropie mécanique. Cela signifie que la lame réagit plus uniformément aux tensions provenant de différentes directions, ce qui la rend plus facile à intégrer dans des dispositifs pratiques soumis à des étirements ou des pressions variables. À cette stabilité structurelle s'ajoute une remarquable résistance environnementale, car les PNB synthétisés se sont révélés stables lorsqu'ils ont été exposés à l'oxygène et à l'air dans des conditions environnementales.
La fonctionnalité chimique du matériau est un autre pilier de cette découverte. Les nanopores ne sont pas seulement des lacunes structurelles, ils agissent au contraire comme des sites actifs qui interagissent plus facilement avec les molécules voisines. Grâce à des expériences d'adsorption des gaz, l'étude a montré que les pores avaient une affinité sélective pour le monoxyde de carbone (CO), préférant le monoxyde de carbone à l'oxygène (voir figure 1). Cette capacité à capturer ces molécules de gaz avec une grande précision ouvre la voie au développement de capteurs chimiques hautement sensibles pour le diagnostic médical, la surveillance de l'environnement et le contrôle des processus industriels.
La théorie de la densité fonctionnelle (DFT) et la spectroscopie à effet tunnel (STS) ont confirmé que les états électroniques proches de la bande interdite sont principalement concentrés dans les segments interporiques. Cela suggère une règle pratique pour la conception: en choisissant le type de segment (graphène ou biphénylène) à placer entre les pores, les concepteurs peuvent «ajuster» la taille et le type de bande interdite pour des applications spécifiques. Cette capacité à personnaliser le comportement électronique à l'échelle atomique distingue ce matériau des autres allotropes de carbone, tels que le graphène, et le fixe comme une plate-forme solide pour la prochaine génération de nanoélectronique.
En résumé, cette recherche est un jalon dans la science des matériaux, car elle est un pont entre la physique fondamentale et l'utilité pratique. En combinant un support en graphène avec des bandes de biphénylène et un motif poreux régulier, un type de carbone bidimensionnel entièrement réglable a été créé. La possibilité de contrôler simultanément la conduction électrique, la rigidité mécanique et la réactivité chimique grâce à la conception moléculaire montre comment l'architecture au niveau atomique peut ouvrir de nouvelles portes dans le domaine des semi-conducteurs, des membranes de filtration et des capteurs du futur.
Référence : M. P. Angulo-Portugal, M. V. V. V. Huang, et al. “A Functional 2D Carbon Allotrope Combining Nanoporous Graphene and Biphenylene Segments.” Adv. Mater ? (2025) E11706. https://doi.org/10.1002/adma.202511706
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