En tant que nouveau matériau synthétique, MAX combine les excellentes propriétés des matériaux métalliques et céramiques et présente de bonnes perspectives d'application dans des domaines tels que les arcs ferroélectriques à grande vitesse, les revêtements isolants haute température et les revêtements résistants à l'usure. Cependant, la préparation de tels matériaux a toujours constitué un défi.
Huang Qing, chercheur à l'Institut des matériaux de Ningbo, Académie chinoise des sciences, a dirigé une équipe pour proposer une nouvelle méthode capable de créer de nombreux nouveaux matériaux en phase MAX et MXene qui ne peuvent pas être synthétisés par des voies conventionnelles, similaires au « Twisting Rubik's Cube ». ". Cela élargit non seulement la gamme d’applications de ces matériaux, mais apporte également une imagination infinie à la synthèse des matériaux. Le 17 mars, heure de Pékin, les résultats de la recherche ont été officiellement publiés dans la revue Science.
Le tableau périodique résume les types d'éléments qui composent la phase MAX et le MXene. Le bleu clair représente l'élément du site M, le marron terreux représente l'élément du site A, le noir représente l'élément du site X, le vert représente l'élément du groupe terminal et les éléments encerclés sont les éléments qui ont été vérifiés expérimentalement dans l'article. Source : Institut des matériaux de Ningbo, Académie chinoise des sciences
Matières synthétiques spéciales
Quel type de réaction chimique se produira lorsque les métaux et la céramique « se combinent fortement » ?
En tant que matériau synthétique artificiel spécial, les matériaux de la phase MAX ont toujours été l'un des points chauds de la recherche dans le domaine des matériaux. Huang Qing a introduit que M représente les éléments métalliques de pré-transition ; A représente les principaux éléments du groupe IIIA et IVA ; X représente le carbone, l'azote ou le bore. M. Les trois types d'éléments en A et X peuvent être disposés et combinés différemment pour former divers matériaux de phase MAX.
Grâce à la structure cristalline unique en nanocouches, ce type de matériau peut conduire l'électricité et la chaleur comme le métal, est doux et facile à traiter et présente une ténacité élevée ; Semblable à la céramique, il présente des caractéristiques telles que la résistance à l’oxydation, la résistance aux températures élevées et la résistance à la corrosion par rayonnement. Cela a montré de grandes perspectives d'application dans des domaines tels que les pantographes ferroviaires à grande vitesse, les éléments chauffants à haute température, les aubes de turbine, les revêtements isolants à haute température et les revêtements résistants à l'usure.
If element A is removed, the MAX phase material will be derived into a new type of material MXene. It is understood that the atomic arrangement of MXene is similar to that of graphene, and it has great potential for application in fields such as optoelectronic devices, electrochemical energy storage, electromagnetic shielding, surface catalysis, and separation membranes.
Cependant, dans les trois types de matières premières M, A et X, certains éléments ne sont pas compatibles. Leur permettre de coexister pacifiquement et préparer des matériaux de haute qualité dotés de fonctions spécifiques est un défi.
Schematic diagram of structure editing strategy for layered transition metal carbides assisted by "chemical scissors" Source: Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences
Tordre le Rubik's Cube pour préparer de nouveaux matériaux
The composition and structure of chemical elements determine the properties of materials.
Afin de répondre aux besoins d'application de différents domaines, les scientifiques espèrent réguler avec précision la microstructure de la phase MAX et des matériaux MXene, et préparer de nouveaux matériaux dotés de fonctions spécifiques.
Dès 2019, l'équipe de Huang Qing a proposé une technologie de préparation verte et a synthétisé avec succès pour la première fois des matériaux en phase MAX de zinc. Les travaux précédents utilisaient en fait des « ciseaux chimiques » oxydants pour graver les éléments entre les couches, c'est-à-dire pour réduire les éléments que nous devons réguler », a déclaré Huang Qing.
Les éléments peuvent-ils être réassemblés après avoir été gravés ? Pour vérifier cette hypothèse, l'équipe de Huang Qing a mené plusieurs expériences. Enfin, ils ont découvert que le métal, un « ciseau chimique » réducteur, peut réassembler les matériaux MXène bidimensionnels en matériaux de phase MAX tridimensionnels.
Huang Qing a expliqué que les matériaux de la phase MAX sont comme des blocs de construction, composés de trois types d'éléments : M, A et X, qui sont épissés séquentiellement de gauche à droite. Dans le passé, pour couper l’élément intermédiaire A, les scientifiques devaient briser trois éléments constitutifs, ce qui équivalait à écraser toute la structure chimique, afin d’« extraire » l’élément intermédiaire A.
Et leur nouvelle stratégie proposée est similaire au « Twisting Rubik's Cube », qui tord légèrement la couche intermédiaire du Rubik's Cube à trois couches sans endommager la structure d'origine, et l'élément A est retiré. En tournant le bloc Rubik's Cube représentant le nouvel élément vers sa position d'origine, le matériau de la phase MAX réalise une « substitution isomorphe ».
Huang Qing guide les étudiants diplômés. Source : Institut des matériaux de Ningbo, Académie chinoise des sciences
Bringing endless imagination to material research
La transformation et la combinaison continues de « cubes magiques » chimiques ont apporté une imagination sans fin à la recherche sur les matériaux.
À l'aide de la méthode d'édition structurelle assistée par les « ciseaux chimiques », l'équipe de Huang Qing a préparé une série de nouveaux matériaux en phase MAX qui ne peuvent pas être synthétisés par les méthodes conventionnelles.
Parmi eux, l'introduction d'éléments non traditionnels du site A, tels que les éléments magnétiques et les métaux précieux, devrait les étendre des domaines structurels à haute température à des applications fonctionnelles, telles que le magnétisme, l'optoélectronique, la catalyse, la supraconductivité, etc.
Grâce à cette méthode, l'équipe de Huang Qing a également obtenu une série de nouveaux matériaux MXene, qui devraient promouvoir l'application ultérieure du MXene dans la catalyse, le stockage d'énergie, le blindage électromagnétique et d'autres domaines.
"This opens a new way for material synthesis, which is a directional success." Chai Zhifang, an academician of the CAS Member and chief scientist of the Advanced Energy Materials Engineering Laboratory of Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences, explained that this method is like making sandwiches according to everyone's "taste". Different ingredients can be added to two pieces of bread, such as chicken, fish fillets, lettuce, etc., so that everyone can take what they need.
De nombreux matériaux importants qui ont reçu beaucoup d'attention peuvent être synthétisés en utilisant cette méthode, et je pense qu'elle recevra de plus en plus d'attention et d'applications à l'avenir », a déclaré Huang Qing.
