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Sciences

Borophène: à la recherche du matériau miracle

22-08-2019

Image: Shutterstock.com

Dispositifs électroniques ultrarapides, batteries légères : la pression pour trouver des matériaux toujours plus performants est incessante. La nouvelle coqueluche, le borophène, passera-t-elle le test ?

Le graphène devait changer nos vies dans des domaines aussi variés que la santé, le transport et l’énergie. La réalisation de son plein potentiel se fait toujours attendre, mais sa découverte, en 2004, a stimulé la recherche d’autres supermatériaux en deux dimensions, constitués d’un seul atome d’épaisseur. Ils sont plus conducteurs, plus légers et plus résistants que les matériaux en trois dimensions. Le petit nouveau dans la famille est le borophène, composé d’atomes de bore.

Des chercheurs ont prédit son existence dès les années 1990, mais ce n’est qu’en 2015 qu’ils ont réussi à faire « pousser » la première « feuille » de borophène. Un tour de force, car, contrairement au graphène, le nouveau compétiteur doit absolument être produit en laboratoire. « Le graphène est disponible dans la nature ; c’est du graphite, un cristal de carbone. La production du borophène est totalement synthétique et reste difficile », explique Jean-François Morin, professeur de chimie à l’Université Laval.

Cette couche d’atomes de bore ne tient pas en elle-même : elle doit être déposée sur un autre support. Les chercheurs ont ainsi réussi à créer du borophène sur de fines couches de métaux. Or, il n’est pas aisé de séparer le borophène du substrat qui le soutient. « Le borophène reste collé sur le métal ; pour l’instant, personne n’est parvenu à l’en détacher, ce qui rend ardue la mesure précise de certaines propriétés », mentionne le professeur Boris Yakobson, de l’Université Rice, au Texas. Il est l’un des premiers à avoir annoncé qu’on pouvait faire « pousser » le borophène sur l’or, l’argent et le cuivre, en 2013. L’exploit ultime serait de produire du borophène autoportant, ce à quoi s’attellent plusieurs équipes internationales.

Propriétés qui font rêver

Le matériau est surprenant. « Une des choses rares qu’on observe, c’est que le borophène est polymorphe, c’est-à-dire que sa structure change selon le substrat sur lequel il se trouve », indique Boris Yakobson. Il soupçonne au moins une douzaine de « phases » possibles ! Sur l’aluminium, par exemple, le borophène adopte la même structure en alvéoles que le graphène. Le borophène pourrait donc répondre à toutes sortes de besoins.

Il pourrait entrer dans la fabrication de circuits imprimés flexibles et de cellules photovoltaïques de panneaux solaires. Ou encore agir comme capteur pour détecter l’éthanol et d’autres gaz, et être utilisé dans des batteries qui se rechargeraient beaucoup plus rapidement et qui seraient plus légères, un avantage de taille pour le transport électrique. Il est aussi capable de stocker jusqu’à 15 % de son poids en hydrogène, une avenue intéressante pour la transition énergétique − mais moins au Québec, qui possède déjà de l’hydroélectricité en abondance, rappelle Claudiane Ouellet-Plamondon, profes­seure en génie de la construction à l’École de technologie supérieure de Montréal.

Mais ce n’est pas demain la veille que le borophène deviendra un matériau courant. « Les scientifiques se rendent aujourd’hui compte des difficultés à employer le graphène ; ce serait optimiste de dire que le borophène va régler tous les problèmes », soutient la professeure Ouellet-Plamondon. Le carbone reste plus abondant que le bore dans la croûte terrestre, et la fabrication du borophène est encore très coûteuse. On doit aussi trouver le moyen de faire du borophène sur des matériaux isolants comme le verre ou le silicone pour faciliter son étude et son utilisation. En effet, le borophène étant très cher, il faudra le mélanger à d’autres matériaux pour pouvoir l’exploiter en industrie.

L’avenir des matériaux bidimensionnels est plein de promesses. Reste à savoir quand elles se réaliseront.

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