Caractérisation systématique à haut débit des nanomatériaux de carbone
Les nanomatériaux de carbone constituent une très grande famille de carbones allotropes, du carbone sous différentes formes physiques dotés de propriétés physiques, chimiques, thermiques, électriques et magnétiques variables. Ces matériaux incluent les nanotubes de carbone (NTC), le graphène, les fullerènes, les points quantiques de carbone et les nanodiamants. Même au sein de la sous-classe des NTC, il existe des NTC à paroi simple, des NTC à parois multiples et des NTC à parois multiples simples et doubles. Les parois elles-mêmes (formées en «enroulant» une feuille de graphène) peuvent être zigzag, chiral ou armchair (zigzag, chirales ou en accoudoir), des noms décrivant la relation entre les atomes de carbone à travers plusieurs anneaux hexagonaux. Une meilleure compréhension des propriétés physiochimiques des nanomatériaux de carbone spécifiques et de la manière dont elles sont liées aux performances, est indispensable pour accélérer l’application. Le projet TACOMA, soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA), a apporté une contribution substantielle pour palier à ce manque de connaissances en développant et en appliquant in situ la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) doux et la technologie des capteurs de bord de transition (TES pour transition-edge sensor).
Groupes fonctionnels de l’oxygène et résidus métalliques
Les orbitales électroniques définissent les positions les plus probables des électrons autour du noyau d’un atome. Les orbitales hybrides résultent de la «combinaison» de deux ou plusieurs orbitales et les nanomatériaux de carbone se caractérisent par une hybridation sp2 ou sp3. Selon Sami Sainio, de l’Université d’Oulu, boursier du MSCA: «Les propriétés et l’applicabilité des nanomatériaux de carbone sont directement liées à leur hybridation et à leur orientation orbitale, et éventuellement à d’autres paramètres. Outre l’hybridation et l’orientation orbitale, nous avons étudié la fonctionnalisation de l’oxygène de surface et les métaux». TACOMA a cherché à identifier les principaux groupes fonctionnels contenant de l’oxygène à la surface des nanomatériaux de carbone et à déterminer les métaux présents dans ces matériaux. Le projet entendait en outre déterminer leur contribution à la performance électrochimique observée des matériaux.
Technologie TES utilisée avec des XAS doux
Sami Sainio a exploité deux technologies de pointe: XAS et TES. La XAS douce utilise le rayonnement synchrotron dans le vide pour exciter les électrons et obtenir des informations atomiques spécifiques à l’élément relatives aux structures chimiques et électroniques locales. Les TES sont des thermomètres qui fonctionnent à une température proche du zéro absolu (zéro degré Kelvin) qui permettent de détecter les photons uniques libérés lors de la désexcitation. Avec ses collègues du Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) aux États-Unis, Sami Sainio a fait appel à l’automatisation industrielle pour mieux servir la communauté des utilisateurs, compte tenu des exigences d’éloignement de la pandémie de COVID-19. Le débit des lignes de faisceaux 8-2 et 10-1 du SSRL a ainsi été décuplé par rapport au fonctionnement manuel, ce qui a permis à Sami Sainio et à d’autres utilisateurs de caractériser systématiquement la chimie de surface d’une pléthore de matériaux différents.
Une méthode scientifique rigoureuse garante de succès
«Nous savons maintenant que presque tous les nanomatériaux de carbone sont contaminés par des impuretés métalliques et que les 13 nanomatériaux de carbone différents étudiés présentent une fonctionnalisation de l’oxygène de surface remarquablement similaire. Cela suggère que le comportement des matériaux est le résultat d’une combinaison de propriétés et que les fonctionnalités de l’oxygène pourraient jouer un rôle moins important que prévu», explique Sami Sainio. Celui-ci a souligné la nécessité et la valeur d’une méthode scientifique rigoureuse. De nombreuses recherches se concentrent sur les propriétés et la fonctionnalisation des surfaces, étant donné ces dernières forment l’interface avec d’autres matériaux. L’approche rigoureuse à haut débit de TACOMA a révélé que la fonctionnalisation de surface n’est peut-être pas le «Saint Graal» de la conception de nanomatériaux de carbone aux propriétés exotiques pour diverses applications. Ces études stratégiques permettront aux scientifiques de caractériser les nanomatériaux de carbone d’une manière normalisée et d’élaborer des modèles permettant de prévoir avec précision les propriétés de matériaux encore non caractérisés. «Quiconque le souhaite peut désormais examiner nos résultats et prendre des décisions éclairées concernant le choix éventuel d’un de ces matériaux pour leurs applications», conclut Sami Sainio.
Mots‑clés
TACOMA, nanomatériaux de carbone, TES, XAS, NTC, fonctionnalisation de l’oxygène de surface, SSRL, synchrotron, spectroscopie d’absorption des rayons X doux, capteur de bord de transition
