La mémoire des couches : comment le MXene se souvient de la façon dont on l'a feuilleté
Une pile de pages que l'on a feuilletée de nombreuses fois s'en souvient : certaines feuilles se couchent à plat, d'autres se hérissent, et par endroits, des plis subsistent. C'est à peu près ce qui se passe dans les matériaux en couches lorsque des ions y pénètrent. Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont observé des feuillets individuels de MXene, un carbure de titane bidimensionnel, et ont vu comment l'historique des cycles de charge et de décharge modifie leur structure.
Pour cela, ils ont construit un microscope qui suit la réflexion de la lumière sur chaque feuillet avec une précision de l'ordre de la millionième de seconde. Les échantillons ont été placés dans une solution d'acide sulfurique et parcourus par un courant. Lorsque les protons s'inséraient entre les couches, les feuillets se dilataient légèrement et la lumière réfléchie changeait d'intensité. Cette intensité permettait de déterminer combien de couches composaient le feuillet et comment il respirait.
Il s'est avéré que les monocouches sont presque parfaitement réversibles : lorsque la vitesse de balayage est multipliée par dix, leur réponse ne chute que de 2%. En revanche, pour des empilements de six couches ou plus, la chute atteint 36%. Cela signifie que dans les empilements épais, les ions doivent se frayer un chemin entre les feuilles, comme l'eau à travers les pages d'un livre compressées.
Les cycles répétés ont divisé les feuillets en trois types. Les monocouches restaient stables. Les multicouches désordonnées et collées accumulaient une déformation résiduelle et perdaient leur réversibilité, comme des pages qui ne se referment plus. En revanche, les multicouches avec un empilement régulier formaient des plis réversibles, qui apparaissaient lors de la charge et disparaissaient complètement au retour du potentiel.
On comprend maintenant pourquoi les électrodes macroscopiques en MXene se comportent de manière instable lors des premiers cycles : elles subissent une réorganisation dépendante de l'historique. La méthode, qui combine le suivi optique de feuillets individuels et la diffraction moyenne, peut être utilisée pour le diagnostic des batteries et des supercondensateurs. Et comprendre le rôle de l'empilement aidera à concevoir des matériaux qui savent d'emblée comment on les feuilletera.
Le contraste optique d'une monocouche de Ti3C2Tx est si faible que sa variation lors de l'intercalation équivaut à un changement d'épaisseur de quelques angströms seulement, ce qui est comparable à la taille d'un atome d'hydrogène.