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Posté par Redbran le Mercredi 22/03/2017 à 00:00
Des nano-usines de production d’énergie renouvelable
Des matériaux bidimensionnels étonnamment réactifs au contact de l’eau.

Grâce à leurs remarquables propriétés, les matériaux bidimensionnels, comme le graphène ou le nitrure de bore, font l’objet d’intenses recherches en nanosciences. Découverte surprenante: certains présentent une réactivité inattendue vis-à-vis des espèces ioniques de l’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Dans le cadre d’une collaboration entre physiciens et chimistes, des chercheurs de l’unité PASTEUR (ENS/CNRS/UPMC) en dévoilent la raison. Extrêmement prometteurs pour leur application dans la production d’énergie renouvelable, ces travaux sont publiés dans la revue J. Phys. Chem. Lett.

Isolés pour la première fois en 2004, les matériaux bidimensionnels tels que le graphène ou son analogue structural, le nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (BN), sont constitués d’une seule couche d’atomes. Cette structure particulière et les propriétés associées (conductivité électrique et thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...), souplesse, robustesse, etc.) en ont rapidement fait des matériaux d’intérêt pour la miniaturisation et le développement de nanotechnologies.

Un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) d’étude dont se sont emparés des chercheurs de l’équipe MICROMEGAS du laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application...) de l’ENS qui ont obtenu un résultat des plus surprenants: en reliant deux réservoirs d’eau de salinité différente par des nanotubes de nitrure de bore, ils observent que le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un...) d’eau dans les nanotubes génère un courant de forte amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), associé à l’apparition d’une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu...) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des nanotubes. Ce phénomène dit d’osmose (L’osmose désigne le phénomène de diffusion de molécules de solvant (l'eau de façon générale) à travers une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides de...) sous gradients salins est à l’origine de ce qu’on appelle la « blue energy ».

Pour comprendre le phénomène en jeu, les physiciens ont fait appel à leurs collègues spécialistes en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de surface des matériaux du laboratoire « Pasteur ». Le défi: identifier l’origine microscopique de cette charge. Pour cela, une expérience numérique a été menée à partir des deux formes ioniques de l’eau: l’ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) hydroxyde chargé négativement (OH-) et l’ion hydronium chargé positivement (H+). Grâce à un modèle de simulation quantique, capable de reproduire le comportement des atomes et de leurs électrons, les chimistes ont reconstruit la surface du nitrure de bore et testé les liaisons qui se forment entre les atomes de cette surface et les ions OH- et H+. C’est ainsi qu’ils ont mis en évidence que la liaison la plus stable et donc la plus susceptible de se produire naturellement est celle qui relie l’atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) de bore à l’hydroxyde (OH-). Preuve en est que la surface de nitrure de bore peut se charger négativement par adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les...) des ions hydroxydes. Un résultat, qui plus est, confirmé par la similitude de la charge globale obtenue lorsqu’on compare le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules qu’il est possible de greffer expérimentalement et par modélisation. Forts de ces premières données, les chercheurs ont réalisé la même expérience numérique avec le graphène. Résultat inattendu: la surface de graphène ne se charge pas avec les ions OH-. Contrairement aux idées partagées par la communauté jusqu’alors, graphène et nitrure de bore se révèlent ne pas avoir un comportement chimique identique.

Encore fondamentaux, ces travaux permettent d’envisager des applications concrètes et extrêmement prometteuses ; l’intensité des charges mesurées et le courant ionique induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir...) par ces procédés en feraient de véritables nano-usines de production d’énergie renouvelable…


Adsorption forte d’un anion hydroxyde (OH-) à la surface d’un feuillet de nitrure de bore hexagonal (h-BN) modélisée par une simulation quantique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ce phénomène d’adsorption explique la charge négative du feuillet au contact d’une eau saline. Les atomes de bore (B), nitrure (N), oxygène (O) et hydrogène (H) sont respectivement représentés par des sphères jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), bleue, rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et blanche.


Référence publication:
Benoit Grosjean, Clarisse Pean, Alessandro Siria, Lydéric Bocquet, Rodolphe Vuilleumier and Marie-Laure Bocquet.
Chemisorption of Hydroxide on 2D Materials from DFT Calculations: Graphene versus Hexagonal Boron Nitride.
J. Phys. Chem. Lett. 3 novembre 2016
DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b02248

Contact chercheur:
Marie-Laure Bocquet, PASTEUR - Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...)

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire certains produits (huile, pommes, poudre, épices,...), Stéphanie Younes

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Source: CNRS-INC
 
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