Le nanomatériau agit comme un thermomètre moléculaire


Le nanomatériau agit comme un thermomètre moléculaire

Cette SEM montre une membrane lamellaire en MXene avant exposition à l’eau / lumière / chaleur. Crédit photo: KAUST 2020

Un matériau en couches développé par les chercheurs de KAUST peut agir comme un capteur de précis en utilisant le même principe que celui utilisé dans les canaux ioniques biologiques.

Les cellules humaines ont diverses protéines qui agissent comme des canaux pour les ions chargés. Certains canaux ioniques de la peau dépendent de la chaleur pour entraîner un flux d’ions qui génèrent des signaux électriques que nous utilisons pour enregistrer la température de notre environnement.

Inspirés par ces capteurs biologiques, les chercheurs de KAUST ont produit un composé de carbure de titane (Ti)3C.2T.X) connu sous le nom de MXene, qui contient plusieurs couches de seulement quelques atomes d’épaisseur. Chaque couche est recouverte d’atomes chargés négativement tels que l’oxygène ou le fluor. «Ces groupes agissent comme des espaceurs pour séparer les nanofeuillets voisins afin que les molécules d’eau puissent pénétrer dans les canaux interplanaires», déclare Seunghyun Hong, postdoctorant de KAUST, membre de l’équipe derrière le nouveau capteur de température. Les canaux entre les couches de MXene sont plus étroits qu’un seul nanomètre.

Les chercheurs ont utilisé des techniques telles que la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage pour étudier leur MXen, et ont constaté que l’ajout d’eau au matériau élargissait légèrement les canaux entre les couches. Lorsque le matériau touchait une solution de chlorure de potassium, ces canaux étaient suffisamment grands pour que les ions potassium positifs se déplacent à travers le MXen, mais bloquaient le passage des ions chlorure négatifs.

Le nanomatériau agit comme un thermomètre moléculaire

Une différence de température entre deux extrémités d’un nanocanal MXene provoque l’écoulement de l’eau et des ions potassium du côté froid vers le côté chaud (en haut). Lorsque la lumière du ne chauffe qu’une partie d’un appareil MXene, un flux thermo-osmotique crée une tension qui peut indiquer de minuscules changements de température (ci-dessous). Crédit photo: ACS Nano; Alshareef, HN et coll.

L’équipe a créé un petit appareil avec le MXene et a exposé une extrémité à la lumière du soleil. Les MXènes absorbent particulièrement efficacement la lumière du soleil et transforment cette énergie en chaleur. L’augmentation de température qui en a résulté a fait circuler des molécules d’eau et des ions potassium à travers les nanocanaux de l’extrémité la plus froide à la partie la plus chaude, un effet connu sous le nom d’écoulement thermo-osmotique. Cela a provoqué un changement de tension comparable à celui des canaux ioniques de détection de température biologique. En conséquence, l’appareil a pu détecter de manière fiable les changements de température de moins d’un degré Celsius.

La réduction de la teneur en sel de la solution de chlorure de potassium a amélioré les performances du dispositif, en partie en améliorant encore la sélectivité du canal pour les ions potassium.

Au fur et à mesure que les chercheurs augmentaient l’intensité de la lumière éclairant le matériau, sa température augmentait aussi rapidement que la réaction de transport d’ions. Cela suggère que le matériau non seulement comme un capteur de température, mais peut également être utilisé pour mesurer l’intensité lumineuse.

Le travail est le résultat d’une collaboration entre les groupes de professeurs de KAUST Husam Alshareef et Peng Wang. «Nous pensons que les canaux cationiques MXene sont prometteurs pour de nombreuses applications potentielles, y compris la mesure de la température, la photodétection ou la production d’énergie photothermique», a déclaré Alshareef, qui a conjointement dirigé l’équipe.


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Plus d’information:
Seunghyun Hong et coll. Réaction photothermoélectrique de Ti3C.2T.X Canaux ioniques MXene restreints, ACS Nano (2020). DOI: 10.1021 / acsnano.0c04099

Fourni par l’Université des sciences et technologies King Abdullah

Citation: Nanomaterial agit comme un thermomètre moléculaire (2020, 12 octobre), consulté le 13 octobre 2020 sur https://phys.org/news/2020-10-nanomaterial-molecular-thermometer.html

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