Le dioxyde de silicium bidimensionnel agit comme un tamis pour les molécules et les ions

Des chercheurs de Bielefeld, Bochum et Yale ont réussi à produire une couche de dioxyde de silicium bidimensionnel (2D). Ce matériau contient des pores naturels et peut donc être utilisé comme un tamis pour les molécules et les ions. Les scientifiques recherchent depuis longtemps de tels matériaux car ils pourraient aider à dessaler l’eau de mer et être utilisés dans de nouvelles piles à combustible. Dans le journal, l’équipe décrit le processus de fabrication des silicates bicouches nano-lettresmise en ligne le 19 janvier 2022. L’étude a été menée conjointement par les équipes dirigées par le Dr. Petr Dementyev de l’Université de Bielefeld, le professeur Anjana Devi de l’Université de la Ruhr à Bochum et le professeur Eric Altman de l’Université de Yale.

Pores naturels dans le réseau cristallin

Lors du perçage de matériaux bidimensionnels avec une grande précision, ils peuvent être utilisés pour filtrer des ions et des molécules spécifiques. Les chercheurs ont tenté à plusieurs reprises de perforer le matériau graphène, composé d’atomes de carbone. Comme il n’a pas de pores naturels, ceux-ci doivent être introduits artificiellement. Mais il est difficile de créer des trous d’une taille définie dans le graphène sans endommager définitivement le matériau. Parce que la perforation perd sa stabilité mécanique. Il a donc fallu trouver une alternative. Dans la présente étude, l’équipe de recherche a profité du fait que le réseau cristallin du dioxyde de silicium bidimensionnel contient naturellement des pores. Ils ont montré que ces pores pouvaient être utilisés pour séparer certains gaz entre eux.

« C’est très excitant car le dioxyde de silicium 2D a naturellement une très haute densité de minuscules pores, qui ne peuvent tout simplement pas être produits dans des membranes artificielles », déclare Petr Dementyev du groupe de recherche Physique des systèmes supramoléculaires et des surfaces à Bielefeld. « Contrairement au graphène perforé, les pores ont presque tous la même taille. Et il y en a tellement que le matériau se comporte comme un tamis à mailles fines pour les molécules.

Problématique en production

La silice 2D est connue depuis 2010. Cependant, il était très coûteux à produire, ce qui n’était possible qu’à petite échelle. Les chercheurs de Bochum, Bielefeld et Yale ont mis en commun leur expertise en chimie des matériaux, en génie chimique et en physique chimique et ont développé un nouveau procédé de production de matériaux. Ils ont utilisé ce qu’on appelle le dépôt de couche atomique pour déposer une seule couche de dioxyde de silicium sur une surface d’or. Les chercheurs ont converti la couche en sa forme bidimensionnelle à l’aide d’un processus à haute pression, puis l’ont caractérisée en détail à l’aide de la spectroscopie et de la microscopie. Ils ont ensuite examiné le flux de gaz à travers la membrane 2D dans une chambre à vide.

Alors que l’eau et l’alcool vaporeux imprégnaient la couche de silice, les gaz azote et oxygène ne le pouvaient pas. « De tels matériaux à perméabilité sélective sont très demandés dans l’industrie », explique Anjana Devi. Cependant, avant que la silice 2D puisse être utilisée dans la pratique, il est important d’évaluer exactement combien de molécules différentes peuvent se fixer à la surface du matériau ou comment elles peuvent y pénétrer.

« Nous espérons que nos résultats seront d’une grande pertinence pour la communauté mondiale de la science des matériaux », conclut Anjana Devi du groupe de recherche sur la chimie des matériaux inorganiques. De telles membranes 2D pourraient aider en première ligne à soutenir le développement durable, par exemple dans le domaine de la conversion ou du stockage de l’énergie.