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L’or est un métal noble qui a tendance à s’agglutiner, une caractéristique qui le rend difficile à aplatir tout en conservant une structure viable. Récemment, des chercheurs de l’Université de Linköping (Suède) ont réalisé un véritable exploit : ils ont créé la toute première feuille d’or de l’épaisseur d’un atome. Baptisé Goldene, ce nouveau matériau bidimensionnel doté de propriétés semi-conductrices aurait un vaste potentiel d’application dans diverses technologies.
” Si vous fabriquez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit – comme avec
graphène. C’est la même chose avec l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais s’il ne contient qu’un seul atome, il peut devenir un semi-conducteur. », explique le chercheur en matériaux Shun Kashiwaya dans un communiqué de presse de l’université de Linköping. Kashiwaya est l’un des principaux chercheurs impliqués dans le développement du Goldene, un matériau constitué d’une seule couche d’atomes d’or. Donc, il ne peut littéralement pas être plus mince.
Il n’y a pas si longtemps, le graphène (un matériau extrêmement résistant, fin et flexible et un excellent conducteur thermique et électrique) a été reproduit pour la première fois en laboratoire. Avec ses propriétés étonnantes, il n’a pas fallu longtemps pour qu’il soit utilisé dans l’électronique, les panneaux solaires, les avions ou encore le prêt-à-porter. Aujourd’hui, Goldene suscite une attention particulièrement similaire du point de vue de ses applications, car, comme le graphène, il pourrait bien offrir de nombreuses opportunités technologiques.
La première feuille d’or d’un seul atome
Kashiwaya et ses collègues n’avaient pas initialement prévu de créer le Goldene. Tout a commencé avec un matériau tridimensionnel, où l’or était incrusté entre des couches de carbone et de titane. L’objectif premier était d’exfolier cet or et de le répandre. ” Nous avons créé le matériau de base en pensant à des applications complètement différentes », explique Lars Hultman, physicien des matériaux à l’université de Linköping.
” Nous avons commencé avec une céramique conductrice d’électricité appelée carbure de silicium-titane, où le silicium est présent en couches minces. L’idée a ensuite été d’enduire le matériau d’or pour établir le 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. “, il continue.
Cependant, cette tentative a initialement abouti à une feuille épaisse de plusieurs atomes. Pendant des années, la monocouche de titane et de carbure d’or intercalé produite par l’équipe est restée telle quelle. Il n’y avait aucun moyen d’extraire les fines couches d’or. Puis un jour, le hasard s’interpose et pousse Kashiwaya et son équipe à utiliser une technique basée sur une solution de gravure appelée réactif de Murakami, issu de l’art japonais de la forge.
Ce réactif est principalement utilisé dans le processus de fabrication des couteaux. En mélangeant divers produits chimiques, les résidus de carbone sont éliminés et la couleur de l’acier change. Les chercheurs ont ainsi eu l’idée d’utiliser ce réactif pour tenter d’extraire les feuilles d’or du titane et du carbure d’or qu’ils avaient précédemment produits. ” J’ai essayé différentes concentrations de réactif de Murakami et différents temps de gravure. Un jour, une semaine, un mois, plusieurs mois. Ce que nous avons remarqué, c’est que plus la concentration est faible et plus le processus de gravure est long, mieux c’est. Mais ce n’était toujours pas suffisant », explique Kashiwaya.
Les scientifiques ont alors réalisé que le ferrocyanure de potassium créé par l’effet de gravure libérait du cyanure qui dissolvait l’or une fois exposé à la lumière. Ils décidèrent donc de réaliser la gravure dans le noir, et c’est cette tentative qui porta ses fruits. La dernière étape du processus consistait simplement à empêcher la feuille d’or de s’enrouler. Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un tensioactif pour stabiliser les feuilles.
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” Les feuilles d’or sont dans une solution, un peu comme des cornflakes dans du lait. À l’aide d’une sorte de « tamis », nous pouvons collecter l’or et l’examiner au microscope électronique pour confirmer que nous avons réussi. », explique Kashiwaya. C’est ainsi qu’est née la Goldene.
Schéma illustrant le processus chimique de fabrication de Goldene.
© S. Kashiwaya et al./Nature Synthesis
Au-delà du laboratoire : applications potentielles de Goldene
Pourquoi se donner la peine de créer une feuille d’or aussi fine ? C’est une question pertinente à laquelle l’équipe de Kashiwaya a apporté des réponses précises. Selon les chercheurs, sous sa forme bidimensionnelle, l’or possède deux liaisons libres et bénéficie ainsi de nouvelles propriétés (par rapport à l’or standard). Ainsi, il pourrait avoir de nombreuses applications, notamment la conversion du dioxyde de carbone, la purification de l’eau, la production sélective de produits chimiques et bien plus encore. Il pourrait également être utilisé comme catalyseur dans la production d’hydrogène. Après un tel exploit, des chercheurs de l’Université de Linköping envisagent de déterminer s’il est possible de faire la même chose avec d’autres métaux nobles.
