Que sont les MXènes et pourquoi pourraient-ils rivaliser avec le graphène ?

Une nouvelle classe de matériaux 2D aux propriétés exceptionnelles

Le graphène a fait la une des journaux comme le matériau miracle des années 2010 : une simple feuille d'atomes de carbone dotée d'une résistance et d'une conductivité extraordinaires. Mais une famille rivale de matériaux bidimensionnels gagne discrètement du terrain dans les laboratoires du monde entier. Ils sont appelés MXènes (prononcé « max-ènes »), et de nombreux chercheurs pensent qu'ils pourraient à terme surpasser le graphène dans les applications pratiques.

Les MXènes sont des couches atomiquement minces de carbures, de nitrures ou de carbonitrures de métaux de transition. Plus de 30 types différents ont été synthétisés jusqu'à présent, et des centaines d'autres sont prédits par calcul, ce qui en fait potentiellement la plus grande classe de matériaux 2D connue de la science.

Comment les MXènes ont été découverts

L'histoire commence par un heureux hasard. En 2011, à l'Université Drexel à Philadelphie, Michael Naguib, doctorant, testait un matériau céramique appelé phase MAX comme anode potentielle pour les batteries lithium-ion. Lorsqu'il a appliqué de l'acide fluorhydrique concentré sur du carbure de titane et d'aluminium (Ti₃AlC₂), l'acide a sélectivement attaqué la couche d'aluminium, laissant derrière lui des feuilles ultra-minces de carbure de titane.

L'équipe de Drexel – Naguib, Michel Barsoum et Yury Gogotsi – a reconnu qu'elle avait créé quelque chose de nouveau. Ils l'ont nommé MXène en combinant « MX » (les couches restantes après avoir retiré le « A » de la phase MAX) avec le suffixe « -ène », faisant écho au graphène et à d'autres matériaux 2D.

Ce qui rend les MXènes spéciaux

Les MXènes se distinguent parce qu'ils combinent plusieurs propriétés souhaitables en un seul matériau :

• Conductivité métallique : ils conduisent l'électricité aussi bien que les métaux, et contrairement au graphène, les films constitués de flocons de MXène qui se chevauchent conservent la haute conductivité des feuilles individuelles.
• Chimie de surface modulable : leurs surfaces peuvent être terminées par de l'oxygène, de l'hydroxyle, du fluor, du chlore ou d'autres groupes, ce qui permet aux chercheurs d'affiner le comportement pour des applications spécifiques.
• Hydrophilie : les MXènes sont naturellement attirés par l'eau, ce qui les rend faciles à transformer en encres, revêtements et composites sans solvants agressifs.
• Résistance mécanique et flexibilité : ils sont à la fois résistants et flexibles, ce qui est utile pour l'électronique portable et les dispositifs flexibles.

Une avancée majeure rapportée dans Nature Synthesis a démontré une nouvelle méthode « triphasique » utilisant des sels fondus et de la vapeur d'iode pour produire des MXènes ultra-propres avec des surfaces parfaitement ordonnées. Résultat : une augmentation de 160 fois de la conductivité électrique par rapport aux MXènes fabriqués de manière conventionnelle, ainsi qu'une augmentation de près de quatre fois de la mobilité des porteurs de charge.

Où les MXènes sont utilisés

Stockage d'énergie

La haute conductivité et l'excellente intercalation ionique des MXènes en font des matériaux d'électrode prometteurs pour les batteries et les supercondensateurs. Leur structure en couches permet aux ions lithium, sodium et autres de se glisser rapidement entre les feuilles, ce qui permet une charge plus rapide et une densité énergétique plus élevée.

Blindage électromagnétique

Même à des épaisseurs minimales, les films de MXène peuvent bloquer les interférences électromagnétiques sur un large spectre, des fréquences radio aux ondes térahertz. Cela les rend intéressants pour la protection des appareils électroniques sensibles dans les smartphones, les dispositifs médicaux et les équipements militaires, comme le note une étude publiée dans Nature Reviews Electrical Engineering.

Capteurs et médecine

La grande surface et la sensibilité chimique des MXènes les rendent efficaces dans les biocapteurs capables de détecter des concentrations infimes de biomarqueurs. Les chercheurs explorent également leur utilisation dans l'administration ciblée de médicaments et la thérapie photothermique contre le cancer.

À quel point les MXènes sont-ils proches de la vie quotidienne ?

Le marché des MXènes devrait passer d'environ 50 millions de dollars en 2026 à 290 millions de dollars d'ici 2032, selon MarketsandMarkets, ce qui reflète un taux de croissance annuel composé d'environ 36 %. Les analystes de Chemical & Engineering News ont comparé la trajectoire actuelle des MXènes à celle du graphène il y a environ dix ans : au-delà de la phase de battage médiatique et entrant dans une phase de développement commercial sérieux.

Des défis subsistent. L'augmentation de la production tout en maintenant la pureté nécessaire à des performances élevées est difficile. L'oxydation dans l'air humide peut dégrader les feuilles de MXène au fil du temps, et les méthodes de synthèse originales nécessitaient de l'acide fluorhydrique dangereux, bien que de nouvelles techniques éliminent cette exigence.

Pourtant, avec plus de 30 compositions déjà réalisées et des centaines d'autres théoriquement possibles, les MXènes offrent une modularité qu'aucun matériau unique ne peut égaler. À mesure que les méthodes de synthèse s'améliorent et que les coûts diminuent, ces fines feuilles de carbure métallique pourraient discrètement devenir l'épine dorsale de l'électronique, des systèmes énergétiques et des capteurs de nouvelle génération.