Le développement du "goldène" marque une étape importante dans le domaine de la science des matériaux

Au début de l'année, une équipe de scientifiques de l'université suédoise de Linköping a réalisé une avancée significative dans le domaine des nanotechnologies en réussissant pour la première fois à isoler le goldène. Le goldène est un allotrope d'or monocouche, c'est-à-dire qu'il est constitué d'une seule couche d'atome d'or. Même la feuille d'or commerciale la plus fine à ce jour est plusieurs centaines de fois plus épaisse que ce nouveau matériau révolutionnaire.

Des matériaux tels que le graphène et le nitrure de bore hexagonal possèdent des propriétés uniques en raison de leur structure fine en forme de feuille

Matériaux 2D : plats mais loin d'être ennuyeux

Les matériaux monocouches, également appelés matériaux 2D, sont des solides cristallins dont l'épaisseur ne dépasse pas un atome. En raison de leur rapport surface-volume élevé, ces matériaux ultraminces présentent des caractéristiques qui diffèrent sensiblement de celles des solides en vrac pourtant chimiquement identiques. Ils possèdent d'extraordinaires propriétés optiques, électroniques et catalytiques, ce qui en fait des matériaux convoités pour la recherche et le développement de nouvelles applications. Les matériaux monocouches récemment découverts ou synthétisés comprennent le borophène, le germanène, le silicène et bien sûr le graphène, qui est connu pour sa résistance exceptionnelle, sa conductivité électrique et ses excellentes propriétés thermiques. Ces matériaux peuvent être produits à l'aide de techniques comme l'exfoliation (pelage de couches à partir de matériaux en vrac) ou la synthèse ascendante (construction de couches atome par atome).

La synthèse du goldène a fait appel à une méthode de gravure chimique japonaise vieille d'un siècle

Surmonter les défis liés aux matériaux

Le goldène devient le tout premier métal 2D isolé. Sa découverte pourrait redéfinir les limites de ce qui est possible avec les matériaux élémentaires. Cependant, en raison de la nature des liaisons métalliques, la fabrication de feuilles monocouches stables de métaux purs tels que l'or est un processus complexe et délicat. Dans les métaux, les électrons ne sont pas liés à des atomes individuels mais sont répartis sur un réseau d'atomes. Cette liaison délocalisée fait que les atomes métalliques se lient naturellement les uns aux autres, ce qui conduit à la formation d'amas ou de nanoparticules plutôt que de nanofeuilles. Les couches monoatomiques sont moins stables et plus susceptibles aux défauts que leurs homologues en vrac. Cette instabilité inhérente peut entraîner l'enroulement ou l'effondrement des couches, ce qui rend difficile le maintien d'une structure plate monoatomique. Plusieurs équipes ont déjà produit des feuilles d'or intercalées entre d'autres matériaux, tels que du carbure de silicium recouvert de graphène. Mais même lorsque des couches monoatomiques sont intégrées à d'autres matériaux, il est extrêmement difficile de les extraire sans que les atomes ne s'agglomèrent. Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs suédois ont d'abord créé une structure tridimensionnelle de titane, de silicium et de carbone. Ils ont ensuite appliqué une couche superficielle d'or, permettant aux particules d'or de se diffuser dans le matériau.

Ce processus a permis de remplacer les atomes de silicium par de l'or, donnant lieu à une feuille de goldène intégrée dans la matrice. L'équipe de chercheurs a ensuite eu recours à une technique centenaire issue de l’art de la forge japonaise pour exfolier des couches d'or individuelles de la structure composite de base. À l'aide d'une solution à base de potassium appelée réactif de Murakami, ils ont pu décaper le matériau de base en carbure de titane, laissant la feuille de graphène intacte. Pour affiner leur méthode, l'équipe a testé différentes conditions de réaction et diverses concentrations de solution décapante. Ce faisant, ils ont découvert que le bromure de cétrimonium (CTAB) ou la cystéine permettent de stabiliser les feuilles isolées et obligent les atomes d'or à rester étalés en une seule couche plutôt qu'à former des grappes. Tous deux agissent comme un tensioactif (une substance qui réduit la tension superficielle entre deux liquides, un liquide et un gaz, ou un liquide et un solide).

L'or monocouche est un matériau révolutionnaire dont les propriétés uniques diffèrent considérablement de celles de l'or en vrac :

• Propriétés semi-conductrices : Contrairement à l'or brut, qui est un excellent conducteur, le goldène se comporte comme un semi-conducteur. Cela ouvre la voie à de nombreuses possibilités d'utilisation dans les dispositifs électroniques puissants.
• Catalyse : Le goldène présente un potentiel très prometteur pour les applications environnementales. Sa réactivité chimique accrue, couplée à une abondance d'atomes insaturés exposés à la surface, en fait un catalyseur très efficace qui pourrait jouer un rôle clé dans la conversion du dioxyde de carbone et la production d'hydrogène.
• Photosensibilité : En raison de sa capacité à capter efficacement la lumière, le goldène pourrait être utilisé dans des dispositifs photovoltaïques et de détection de la lumière de pointe.

La synthèse de couches d'or 2D ouvre de nouveaux horizons pour la science et la technologie

En ayant réussi à synthétiser l'or sous forme bidimensionnelle, cette équipe de chercheurs a ouvert la voie à de nouveaux développements passionnants dans divers domaines de la science et de la technologie. Cette méthode évolutive pourrait notamment être utilisée pour préparer d'autres matériaux 2D élémentaires (communément appelés "métallènes"). Les couches monoatomiques stables ouvrent également de nouvelles possibilités pour étudier les effets quantiques et les propriétés fondamentales des matériaux au niveau atomique, contribuant ainsi à de nouvelles avancées en physique et en chimie.

Sources :

• Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold
• A single atom layer of gold—researchers create goldene
• Breakthrough in Material Science: ‘Goldene’, A Single-Atom Layer Gold
• Scientists make the first single-atom-thick sheet of gold. It’s called ‘goldene’
• Meet ‘goldene’: this gilded cousin of graphene is also one atom thick

• Scientists finally make ‘goldene’, a breakthrough new material