L’or est un métal noble qui a tendance à s’agglutiner, une caractéristique le rendant difficile à aplatir tout en conservant une structure viable. Récemment, des chercheurs de l’Université de Linköping (Suède) ont réussi un véritable exploit : ils ont créé la toute première feuille d’or de l’épaisseur d’un atome. Baptisé Goldene, ce nouveau matériau bidimensionnel doté de propriétés semi-conductrices aurait un vaste potentiel applicatif dans diverses technologies.
« Si vous fabriquez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit – comme avec le graphène. C’est la même chose avec l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais s’il ne contient qu’un seul atome, il peut devenir un semi-conducteur », explique Shun Kashiwaya, chercheur en matériaux, dans un communiqué de l’Université de Linköping. Kashiwaya est l’un des chercheurs principaux ayant participé à la mise au point du Goldene, un matériau constitué d’une seule couche d’atomes d’or. Ainsi, il ne peut littéralement pas être plus mince.
Il n’y a pas si longtemps, le graphène (matériau extrêmement solide, fin, flexible et excellent conducteur thermique et électrique) a été reproduit en laboratoire pour la première fois. Avec ses propriétés étonnantes, il n’aura pas fallu attendre longtemps pour qu’il soit utilisé en électronique, dans les panneaux solaires, les avions et même dans le prêt-à-porter. Aujourd’hui, le Goldene suscite une attention particulièrement similaire d’un point de vue applicatif, car à l’instar du graphène, il pourrait bien avoir de nombreux débouchés technologiques.
La première feuille d’or d’un seul atome
Kashiwaya et ses collègues n’avaient initialement pas pour but de créer le Goldene. Tout a commencé avec un matériau à trois dimensions, où l’or était incrusté entre des couches de carbone et de titane. L’objectif premier était d’exfolier cet or et l’étaler. « Nous avions créé le matériau de base en pensant à des applications complètement différentes », explique Lars Hultman, physicien en matériaux à l’Université de Linköping.
« Nous avons commencé avec une céramique conductrice d’électricité appelée carbure de silicium-titane, où le silicium est présent en fines couches. Ensuite, l’idée était de recouvrir le matériau d’or pour établir un contact. Mais lorsque nous avons exposé le composant à de hautes températures, la couche de silicium a été remplacée par l’or à l’intérieur du matériau de base », poursuit-il.
Cependant, cette tentative a initialement abouti à un feuillet épais de plusieurs atomes. Pendant des années, la monocouche de titane et de carbure d’or intercalé produite par l’équipe est restée telle quelle. Il n’y avait aucun moyen d’extraire les couches d’or ultraminces. Puis un jour, le hasard s’en est mêlé et a poussé Kashiwaya et son équipe à utiliser une technique basée sur une solution de gravure appelée réactif de Murakami, issu de l’art de la forge japonais.
Principalement, ce réactif est utilisé dans le processus de fabrication de couteaux. En mélangeant divers produits chimiques, les résidus de carbone sont éliminés et la couleur de l’acier change. Les chercheurs ont ainsi eu l’idée de recourir à ce réactif pour tenter d’extraire les feuilles d’or du carbure de titane et d’or qu’ils avaient précédemment produit. « J’ai essayé différentes concentrations du réactif de Murakami et différentes durées de gravure. Un jour, une semaine, un mois, plusieurs mois. Ce que nous avons remarqué, c’est que plus la concentration est faible et plus le processus de gravure est long, mieux c’est. Mais ce n’était toujours pas suffisant », explique Kashiwaya.
Les scientifiques ont ensuite compris que le ferrocyanure de potassium créé par l’effet de gravure libérait du cyanure qui dissout l’or une fois qu’il est exposé à la lumière. Ainsi, ils ont décidé d’effectuer la gravure dans l’obscurité, et c’est cette tentative qui a porté ses fruits. La dernière étape du processus ne consistait plus qu’à éviter que les feuilles d’or ne s’enroulent. Pour y parvenir, les chercheurs ont eu recours à un tensioactif pour stabiliser les feuillets.
« Les feuilles d’or sont dans une solution, un peu comme des cornflakes dans du lait. À l’aide d’une sorte de ‘tamis’, nous pouvons collecter l’or et l’examiner au microscope électronique pour confirmer que nous avons réussi », explique Kashiwaya. C’est ainsi que le Goldene est né.
Au-delà du laboratoire : applications potentielles du Goldene
Pourquoi se donner tant de mal à créer une feuille d’or aussi fine ? C’est une question pertinente à laquelle l’équipe de Kashiwaya a apporté des réponses précises. Selon les chercheurs, dans sa forme bidimensionnelle, l’or possède deux liaisons libres et bénéficie ainsi de propriétés nouvelles (par rapport à l’or standard). Ainsi, il pourrait avoir de nombreuses applications, incluant la conversion du dioxyde de carbone, la purification de l’eau, la production sélective de produits chimiques et bien plus encore. Il pourrait également être utilisé comme catalyseur dans la production d’hydrogène. Après un tel exploit, les chercheurs de l’Université de Linköping prévoient de déterminer s’il est possible de faire la même chose avec d’autres métaux nobles.