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17 Avr, 2024

Une couche d’or d’un seul atome – Des chercheurs suédois créent du « goldene »

Une couche d’or d’un seul atome – Des chercheurs suédois créent du « goldene »

Pour la première fois, des scientifiques suédois sont parvenus à créer des feuilles d’or d’une épaisseur d’un seul atome. Ce matériau a été baptisé « goldene ». Selon des chercheurs de l’université de Linköping, en Suède, cette technique confère à l’or de nouvelles propriétés qui lui permettent d’être utilisé dans des applications telles que la conversion du dioxyde de carbone, la production d’hydrogène et la production de produits chimiques à valeur ajoutée.

Avec leurs collègues, les chercheurs Lars Hultman et Shun Kashiwaya ont créé le goldène. Olov Planthaber

Les scientifiques ont longtemps essayé de fabriquer des feuilles d’or d’un seul atome d’épaisseur, mais sans succès en raison de la tendance du métal à s’agglutiner. Des chercheurs de l’université de Linköping y sont parvenus grâce à une méthode centenaire utilisée par les forgerons japonais.

« Si vous rendez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit, comme avec le graphène. Il en va de même pour l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais s’il est recouvert d’une couche d’un seul atome, il peut devenir un semi-conducteur », explique Shun Kashiwaya, chercheur à la division « Materials Design » de l’université de Linköping.

Matériau de base en 3D

Pour créer le goldene, les chercheurs ont utilisé un matériau de base tridimensionnel dans lequel l’or est intégré entre des couches de titane et de carbone. Mais la création du goldene s’est avérée difficile. Selon Lars Hultman, professeur de physique des couches minces à l’université de Linköping, les progrès réalisés sont en partie dus à la sérendipité.

La sérendipité est le fait de faire par hasard une découverte inattendue qui s’avère ensuite fructueuse, notamment dans le domaine des sciences

« Nous avions créé le matériau de base en pensant à des applications complètement différentes. Nous avons commencé avec une céramique conductrice d’électricité appelée carbure de titane et de silicium, où le silicium est en couches minces. L’idée était ensuite de recouvrir le matériau d’or pour établir un contact. Mais lorsque nous avons exposé le composant à des températures élevées, la couche de silicium a été remplacée par de l’or à l’intérieur du matériau de base », explique Lars Hultman.

Ce phénomène s’appelle l’intercalation et ce que les chercheurs ont découvert, c’est du carbure de titane et d’or. Pendant plusieurs années, les chercheurs ont disposé de carbure d’or titane sans savoir comment l’or pouvait être exfolié ou extrait, pour ainsi dire.

L’art de la forge japonaise

Par hasard, Lars Hultman a découvert une méthode utilisée dans l’art de la forge japonaise depuis plus de cent ans. Il s’agit du réactif de Murakami, qui élimine les résidus de carbone et modifie la couleur de l’acier dans la fabrication des couteaux, par exemple. Mais il n’était pas possible d’utiliser exactement la même recette que les forgerons. Shun Kashiwaya a dû envisager des modifications :

« J’ai essayé différentes concentrations du réactif de Murakami et différentes durées de gravure. Un jour, une semaine, un mois, plusieurs mois. Nous avons remarqué que plus la concentration était faible et plus le processus de gravure était long, mieux c’était. Mais ce n’était toujours pas suffisant », explique-t-il.

La gravure doit également être effectuée dans l’obscurité, car le cyanure se développe dans la réaction lorsqu’il est frappé par la lumière, et il dissout l’or. La dernière étape consistait à stabiliser les feuilles d’or. Pour éviter que les feuilles bidimensionnelles exposées ne se recroquevillent, un agent tensioactif a été ajouté. Dans ce cas, il s’agit d’une longue molécule qui sépare et stabilise les feuilles, c’est-à-dire un tensioactif.

Un tensioactif ou agent de surface ou surfactant est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Les composés tensioactifs sont des molécules amphiphiles, c’est-à-dire qu’elles présentent deux parties de polarité différente, l’une lipophile est apolaire, l’autre hydrophile est polaire

« Les feuilles de goldene se trouvent dans une solution, un peu comme des corn-flakes dans du lait. À l’aide d’une sorte de « tamis », nous pouvons recueillir l’or et l’examiner au microscope électronique pour confirmer que nous avons réussi. Et c’est le cas », précise Shun Kashiwaya.

De nombreuses applications possibles

Les nouvelles propriétés du goldene sont dues au fait que l’or possède deux liaisons libres lorsqu’il est bidimensionnel. Grâce à cela, les applications futures pourraient inclure la conversion du dioxyde de carbone, la catalyse génératrice d’hydrogène, la production sélective de produits chimiques à valeur ajoutée, la production d’hydrogène, la purification de l’eau, la communication, et bien d’autres choses encore.

Pour créer le goldene, les chercheurs ont utilisé un matériau de base tridimensionnel dans lequel l’or est intégré entre des couches de titane et de carbone. Olov Planthaber

En outre, la quantité d’or utilisée dans les applications actuelles peut être considérablement réduite. La prochaine étape pour les chercheurs du LiU est d’étudier s’il est possible de faire la même chose avec d’autres métaux nobles et d’identifier d’autres applications futures.

https://liu.se/en/news-item/ett-atomlager-guld-liu-forskare-skapar-gulden

https://www.nature.com/articles/s44160-024-00518-4