Des chercheurs utilisent des nanomatériaux pour créer des grappes de diamants 2D à température ambiante – Technoguide

Le nitrure de bore hexagonal 2D (h-BN) atomiquement mince est un matériau prometteur dont la capacité protéiforme à subir des transformations de phase en films solides, super légers, chimiquement stables et résistants à l’oxydation les rend idéaux pour les revêtements protecteurs, les applications thermiques nanotechnologiques, les UV profonds émetteurs de lumière, et bien plus encore.

Les possibilités incarnées dans différents polytypes de h-BN comprennent la phase de diamant ultra-dur, une structure cubique (c-BN) avec une résistance et une dureté en second lieu seulement aux diamants de carbone réels. La clé de la fabrication de tels matériaux est la capacité d’induire et de contrôler la transformation entre leurs différentes phases cristallines, d’une manière suffisamment efficace et rentable pour permettre des économies d’échelle.

Alors que la synthèse de ces matériaux dans leurs configurations «en vrac» ou 3D nécessite une pression et une chaleur immenses, des chercheurs de la NYU Tandon School of Engineering ont découvert que le h-BN dans des feuilles 2D en couches minces de molécules peut passer en phase c-BN à température ambiante .

Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par Elisa Riedo, professeur de génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon, et en collaboration avec Remi Dingreville au Center for Nanotechnologies à Sandia National Laboratories, a produit des expériences et des simulations à l’aide d’une pointe nanoscopique compressant atomiquement mince, Couches 2D h-BN pour révéler comment ces transitions de phase à température ambiante se produisent et comment les optimiser, en partie en faisant varier le nombre de couches dans le film mince h-BN.

La recherche, «Formation induite par la pression et propriétés mécaniques du nitrure de bore de diamant 2D», dont les auteurs incluent Angelo Bongiorno, professeur de chimie à la City University de New York; Filippo Cellini, ancien post-doc au PicoForce Lab de Riedo à NYU Tandon; Elton Chen de Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon; et Francesco Lavini et Filip Popovic, Ph.D. étudiants dans le laboratoire de Riedo, apparaît comme l’article de couverture dans le volume 8, numéro 2 de la revue Advanced Science.

«Lorsque le BN est dans la phase diamant, la dureté et la rigidité augmentent considérablement, et est, en fait, presque aussi dur qu’un diamant de carbone traditionnel avec une stabilité thermique et chimique améliorée», a déclaré Riedo, «mais il ne peut normalement pas être trouvé dans la nature . La formation de nitrure de bore cubique doit être effectuée dans un laboratoire. Nous avons donc entrepris d’explorer la physique et la compréhension de la transition de phase du nitrure de bore hexagonal au nitrure de bore cubique dans le cas particulier des films qui sont atomiquement minces. “

Lavini a expliqué que le travail impliquait l’application d’une pression sur des films de h-BN atomiquement minces avec un nombre de couches atomiques de un à dix, à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Pour tester l’étendue de la transition de phase de la structure cristalline hexagonale à cubique, la sonde à pointe nanoscopique AFM applique simultanément une pression et mesure l’élasticité du matériau.

«Un degré élevé de rigidité démontre la transition de phase vers la structure cristalline du diamant. Ceci est essentiel car ce n’était pas clair avant que cette transition de phase puisse même se produire à température ambiante», a-t-il expliqué. «Parce que toute la physique des transitions de phase est différente dans un ‘univers’ 2D, nous découvrons et redéfinissons certaines règles fondamentales des matériaux. Dans cet état, par exemple, la barrière d’énergie pour passer de la phase hexagonale à la phase cubique est beaucoup plus petite.

Les expériences et les simulations ont également révélé l’épaisseur optimale pour réaliser la transition vers le c-BN: les chercheurs n’ont observé aucune transformation de phase dans les films h-BN monocouches, tandis que les films bicouches et tri-couches ont montré une augmentation de 50% de la rigidité lorsque pression a été appliquée par la pointe nanoscopique, un proxy pour la transition de phase h-BN-à-c-BN. Au-dessus de trois couches, les chercheurs ont observé une diminution du degré de transition de phase de diamant.

Grâce à des simulations – décrites dans l’étude – les collaborateurs ont également découvert une hétérogénéité dans la transition de phase: au lieu d’un changement spontané en c-BN se produisant uniformément sous pression, ils ont constaté que les diamants se formaient en grappes et se dilataient. Ils ont également observé que plus le nombre de couches de h-BN était grand, plus le nombre de grappes de diamants était petit.

Riedo a expliqué que les avantages des diamants 2D BN par rapport au diamant de carbone 2D (également connu sous le nom de diamène) sont l’adaptabilité et les économies potentielles de fabrication. «Récemment, nous avons découvert qu’il est possible d’induire la formation de diamène à partir du graphène, cependant, des types spécifiques de substrats ou de produits chimiques sont nécessaires, tandis que le h-BN peut former des diamants sur n’importe quel substrat dans l’atmosphère ambiante. En général, c’est vraiment passionnant la découverte de de nouvelles propriétés exceptionnelles dans les phases de diamant induites par la pression dans les matériaux 2D », a-t-elle déclaré.

Riedo a déclaré que la prochaine phase se tournera vers la recherche appliquée, avec des expériences à plus grande échelle sur la résistance mécanique pour des applications spécifiques.

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