Technologie: créer des films nanoporeux performants

Publié par Adrien le 10/11/2021 à 09:00
Source: CNRS INC
Capteurs, tamis moléculaires, stockage électrochimique de l'énergie... autant d'applications potentielles des films nanoporeux de silice. Elaborer de tels films à porosité orientée, ordonnée et fonctionnalisable par des procédés simples, c'est le défi que tente de relever l'équipe de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et électrochimie analytiques du LCPME (CNRS/Université de Lorraine). Alain Walcarius, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) et de cette équipe, explique comment l'électrochimie permet de créer ces véritables nids d'abeilles nanométriques.


Représentation schématique et micrographie d'une couche mince de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) nanostructurée en nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir...) d'abeille (Abeille est un nom vernaculaire ambigu désignant en français certains insectes...) obtenue par voie électrochimique et une de ses applications pour la détection sélective d'un médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant...), le propanolol, en milieu biologique.
© Alain Walcarius.

Pourquoi s'intéressent-on à ces films ?

Le développement de films de silice à porosité verticalement orientée ouvre de nombreuses perspectives d'applications dans des domaines aussi variés que les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...), le stockage électrochimique de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), l'électronique moléculaire, l'électrocatalyse ou encore l'électrochromisme. Ces systèmes nanostructurés offrent de très grandes surfaces et volumes de pores uniformes, réglables en taille et dont la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) peut être fonctionnalisée. Un défi important reste cependant le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) des pores pour qu'elles soient toutes accessibles et assurent des propriétés d'échanges, de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) ou de réactivité optimales. La croissance verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) de nanocanaux sur un substrat nécessite de mettre au point (Graphie) des méthodes qui permettent cette auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...).

Quelles sont les méthodes qui existent pour déposer de tels films sur un support ?

Jusqu'ici, les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) inorganiques et les films hybrides organiques-inorganiques à porosité périodiquement organisée étaient pour la plupart préparés par auto-assemblage induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) (EISA). La méthode est basée sur le dépôt par immersion d'un support dans une solution hydro-alcoolique (Les solutions hydro-alcooliques (encore nommées par acronymie SHA ou SHAL) sont des solutions...) diluée qui contient des précurseurs de silice et un tensioactif (Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux...). Le retrait du substrat à vitesse (On distingue :) contrôlée induit, par évaporation du solvant (Un solvant (également nommé en suisse romande thinner pour les solvants puissant) est un...), le dépôt d'une couche au sein de laquelle la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) inorganique se condense autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de micelles de tensioactif auto-assemblées. La destruction du tensioactif génère ensuite un film nanoporeux de structure hexagonale, cubique ou lamellaire. Si la méthode EISA constitue actuellement le meilleur moyen de générer des films nanoporeux organisés, le contrôle de l'orientation des pores n'en reste pas moins un défi difficile à relever par ce procédé.

L'électro-dépôt de matériaux non conducteurs: un concept contre-intuitif d'auto-assemblage ?

Largement répertorié pour les matériaux conducteurs, il est moins intuitif d'appliquer les techniques de dépôt électrochimique à des oxydes ou hydroxydes métalliques isolants comme la silice. Au laboratoire de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des...) et microbiologie (La microbiologie est une sous-discipline de la biologie basée sur l'étude des...) pour les matériaux et l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) (LCPME/CNRS), nous avons pourtant montré que l'électrochimie offrait une véritable aubaine pour construire des nanocanaux de silice orientés et ordonnés via la méthode d'auto-assemblage électrochimiquement assisté (Electro-Assisted Self-Assembly, EASA).

Avec mes collègues, nous avons ainsi élaboré des nanocanaux de silice orientés par EASA et démontré la modulation de leurs propriétés. Le support est cette fois une électrode à la surface de laquelle on applique un potentiel qui induit l'auto-assemblage transitoire de micelles de tensioactif en réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) hexagonal. Ce potentiel provoque également une augmentation du pH qui favorise le dépôt et la croissance orthogonale de murs de silice guidée par le pattern des micelles sur l'électrode. Cet usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) non conventionnel de l'électrochimie permet de déposer des films minces uniformes sur des surfaces de natures différentes. Des membranes à perméabilité sélective, fonctionnalisables sur demande, sont ainsi obtenues, qui offrent d'excellentes propriétés de tamis moléculaire. Elles peuvent également servir de moule pour la croissance de nano-objets tels que des réseaux de nanofilaments individuels de polymères conducteurs.

Référence:
Electro-induced surfactant self-assembly driven to vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) growth of oriented mesoporous films
Alain Walcarius, Accounts of Chemical Research, 1er septembre 2021.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.1c00233
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