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Les ingénieurs du MIT créent un polymère 2D qui s’auto-assemble en feuilles

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Grâce à un nouveau procédé de polymérisation, les ingénieurs chimistes du MIT ont établi un nouveau polymère bidimensionnel qui s’auto-assemble en feuilles, contrairement à tous les autres polymères qui forment des chaînes unidimensionnelles. Jusqu’à présent, les scientifiques croyaient qu’il était impossible d’induire des polymères pour former des feuilles 2D.

Le nouveau matériau est plus résistant que l’acier et aussi léger que le plastique, et peut être facilement fabriqué en grande quantité. Un tel matériau pourrait être utilisé comme revêtement léger et durable pour les pièces de voiture ou les téléphones portables, ou comme matériau de construction pour les ponts ou d’autres structures, explique Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Nous ne pensons généralement pas que les plastiques soient quelque chose que vous pourriez utiliser pour soutenir un bâtiment, mais avec ce matériau, vous pouvez activer de nouvelles choses. Il a des propriétés très inhabituelles et nous en sommes très excités.

—Michael Strano

Les chercheurs ont déposé deux brevets sur le procédé qu’ils ont utilisé pour générer le matériau, qu’ils décrivent dans un article paru dans La nature.

Les polymères, qui incluent tous les plastiques, sont constitués de chaînes de blocs de construction appelés monomères. Ces chaînes se développent en ajoutant de nouvelles molécules à leurs extrémités. Une fois formés, les polymères peuvent être façonnés en objets tridimensionnels, tels que des bouteilles d’eau, en utilisant le moulage par injection.

Les scientifiques des polymères ont longtemps émis l’hypothèse que si les polymères pouvaient être amenés à se développer en une feuille bidimensionnelle, ils devraient former des matériaux extrêmement résistants et légers. Cependant, de nombreuses décennies de travail dans ce domaine ont conduit à la conclusion qu’il était impossible de créer de telles feuilles.

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L’une des raisons en est que si un seul monomère tourne vers le haut ou vers le bas, hors du plan de la feuille en croissance, le matériau commencera à se dilater en trois dimensions et la structure en forme de feuille sera perdue. Cependant, dans la nouvelle étude, Strano et ses collègues ont proposé un nouveau procédé de polymérisation qui leur permet de générer une feuille bidimensionnelle appelée polyaramide. Pour les blocs de construction monomères, ils utilisent un composé appelé mélamine, qui contient un anneau d’atomes de carbone et d’azote. Dans de bonnes conditions, ces monomères peuvent croître en deux dimensions, formant des disques. Ces disques s’empilent les uns sur les autres, maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les couches, ce qui rend la structure très stable et solide.

Modèle auto-catalytique de 2DPA-1. Zeng et coll.


Au lieu de créer une molécule en forme de spaghetti, nous pouvons créer un plan moléculaire en forme de feuille, où les molécules s’accrochent ensemble en deux dimensions. Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après avoir synthétisé le matériau, nous pouvons facilement déposer par centrifugation des films minces extraordinairement résistants. Grâce à cette avancée, nous avons des molécules planes qui seront beaucoup plus faciles à transformer en un matériau très résistant mais extrêmement fin.

—Michael Strano

Parce que le matériau s’auto-assemble en solution, il peut être fabriqué en grande quantité en augmentant simplement la quantité de matières premières. Les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient revêtir des surfaces avec des films du matériau, qu’ils appellent 2DPA-1.

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Les chercheurs ont découvert que le module d’élasticité du nouveau matériau – une mesure de la force nécessaire pour déformer un matériau – est entre quatre et six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Ils ont également découvert que sa limite d’élasticité, ou la force nécessaire pour casser le matériau, est celle de l’acier, même si le matériau n’a qu’environ un sixième de la densité de deux fois l’acier.

Une autre caractéristique clé du 2DPA-1 est qu’il est imperméable aux gaz. Alors que d’autres polymères sont fabriqués à partir de chaînes enroulées avec des espaces qui permettent aux gaz de s’infiltrer, le nouveau matériau est fabriqué à partir de monomères qui se verrouillent comme des LEGO, et les molécules ne peuvent pas s’interposer.

Cela pourrait nous permettre de créer des revêtements ultrafins qui peuvent complètement empêcher l’eau ou les gaz de passer à travers. Ce type de revêtement barrière pourrait être utilisé pour protéger le métal dans les voitures et autres véhicules, ou les structures en acier.

—Michael Strano

Strano et ses étudiants étudient maintenant plus en détail comment ce polymère particulier est capable de former des feuilles 2D, et ils expérimentent la modification de sa composition moléculaire pour créer d’autres types de nouveaux matériaux.

La recherche a été financée par le Center for Enhanced Nanofluidic Transport (CENT), un Energy Frontier Research Center parrainé par le US Department of Energy Office of Science et le Army Research Laboratory.

Ressources

  • Zeng, Y., Gordiichuk, P., Ichihara, T. et coll. (2022) « Synthèse irréversible d’un matériau polymère bidimensionnel ultrarésistant. » La nature 602, 91–95 doi : 10.1038/s41586-021-04296-3

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L’étude a révélé que les minéraux et l’utilisation des terres déterminent le stockage du carbone dans le sol.

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L’étude a révélé que les minéraux et l’utilisation des terres déterminent le stockage du carbone dans le sol.

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Enterrez des récipients d’échantillons contenant des minéraux dans le sol. Crédit : Ingo Schoening, MPI-BGC

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Enterrez des récipients d’échantillons contenant des minéraux dans le sol. Crédit : Ingo Schoening, MPI-BGC

La séquestration du carbone dans le sol peut contribuer à l’atténuation du changement climatique, et la matière organique du sol liée aux minéraux possède la plus grande capacité à stocker le carbone. Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques de l’Institut Max Planck de biogéochimie et de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg, a évalué les facteurs qui contrôlent la matière organique liée aux minéraux.

leurs études, publié dans La biologie du changement globalIl montre que même si la quantité et le taux de leur formation sont principalement contrôlés par la composition minérale, l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion influencent également la matière organique liée aux minéraux sur des échelles de temps courtes.

Le carbone organique du sol n’est pas seulement important pour la fertilité des sols et la production alimentaire, il joue également un rôle important dans le climat de la Terre puisqu’il représente environ 7 % du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère.2 Il circule dans le sol chaque année. Depuis les débuts de l’agriculture, les sols ont perdu d’importantes quantités de carbone dans l’atmosphère. Pour atténuer le changement climatique, nous devons comprendre comment éviter une perte supplémentaire de carbone et reconstituer les stocks de carbone du sol.

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Lorsque le carbone organique du sol est lié aux minéraux, sa durée de survie et sa résistance aux perturbations sont accrues. La formation de matière organique associée aux minéraux (MAOM) est donc un processus essentiel dans le cycle global du carbone. Cependant, malgré des décennies de recherche, l’impact de la composition minérale et de l’intensité de la gestion des terres sur la formation de MAOM n’a pas été résolu.

Pour combler cette lacune dans la recherche, plus de 3 500 conteneurs perméables remplis de goethite sans carbone, un représentant de l’oxyde de fer du sol, ou d’illite, un représentant du minéral argileux silicaté, ont été enterrés dans 150 forêts et 150 prairies. Les sites sont situés dans les trois zones d’étude allemandes du programme prioritaire d’infrastructures « Explorations de la biodiversité ».

Après cinq ans d’incubation souterraine, une équipe de scientifiques dirigée par De Schorn Bramble de l’Institut Max Planck de biogéochimie (MPI-BGC) à Iéna et Susanne Ulrich de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) a analysé le contenu du conteneur. . Ils ont constaté que, quels que soient le type d’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, quatre fois plus de carbone organique s’accumulait dans la goethite que dans l’illite. Ce résultat confirme que la composition minérale est essentielle pour contrôler le taux et la quantité de formation de MAOM dans le sol.

« Une grande partie de nos connaissances sur le rôle des oxydes et des argiles silicatées dans le stockage du carbone dans le sol provient d’études en laboratoire », explique Susan. « Étant donné que ces deux groupes de minéraux interagissent dans les sols naturels, la différenciation directe de leurs rôles individuels dans la formation de MAOM n’est pas possible. .» Ulrich, Ph.D. Candidat à MLU.

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« Notre configuration expérimentale nous a permis pour la première fois de comparer directement le potentiel de stockage de carbone de ces deux groupes minéraux dans des conditions de terrain. Nos résultats montrent que ce ne sont pas les propriétés de surface qui déterminent la formation de MAOM, car les oxydes ont une surface beaucoup plus grande. Le potentiel de stockage de carbone des minéraux argileux silicatés. »  »

En raison du long temps de séjour du carbone dans les minéraux, la formation de MAOM était considérée comme relativement insensible à l’utilisation et à la gestion des terres sur des échelles de temps inférieures à plusieurs décennies. Cependant, les chercheurs ont noté dans leur étude que la formation de MAOM dans les forêts était réduite par l’intensité de la récolte et était modifiée par la sélection des espèces d’arbres. Dans les prairies, la productivité végétale ainsi que la diversité végétale ont augmenté la formation de MAOM. La productivité et la diversité végétales étaient affectées par la fertilisation, car la fertilisation augmentait la productivité végétale mais réduisait la diversité végétale.

De Schorn Bramble, candidat au doctorat au MPI-BGC explique ces nouveaux résultats contrastés : « Nous avons observé des effets significatifs de l’utilisation et de la gestion des terres sur la formation de MAOM après avoir exposé des minéraux sans carbone pendant seulement cinq ans aux conditions ambiantes du sol. Ces changements sont il est également probable qu’elle se produise dans les sols naturels. » Mais elle peut être difficile à détecter à l’aide des méthodes de mesure traditionnelles. « Nos résultats et notre approche expérimentale peuvent donc être importants pour prédire comment MAOM réagira aux activités humaines. »

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Il note que même si la composition minérale détermine le potentiel de stockage du carbone dans le sol, l’utilisation des terres affecte la mesure dans laquelle ce potentiel est réalisé. Par conséquent, il est important de mieux comprendre comment la productivité des plantes, la qualité des apports organiques et la communauté des décomposeurs interagissent dans la formation de MAOM dans le sol sous différentes gestions.

Plus d’information:
De Shorn E. Bramble et al, La composition de la matière organique liée aux métaux dans les sols tempérés est principalement contrôlée par le type de métal et est modifiée par l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, La biologie du changement global (2023). est ce que je: 10.1111/gcb.17024

Informations sur les magazines :
La biologie du changement global


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L’« hiver volcanique » a-t-il conduit à l’extinction des dinosaures ?

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L’« hiver volcanique » a-t-il conduit à l’extinction des dinosaures ?

Une nouvelle étude suggère que le changement climatique provoqué par des éruptions volcaniques massives pourrait avoir finalement ouvert la voie à l’extinction des dinosaures.

Les découvertes remettent en question le récit traditionnel selon lequel seule une météorite tombant sur Terre a porté le coup final aux anciens géants.

Pour étudier dans Avancement de la science, des chercheurs de l’Université McGill ont étudié les éruptions volcaniques dans les pièges du Deccan – un vaste plateau accidenté de l’ouest de l’Inde formé de lave en fusion. Son éruption de 1 million de kilomètres cubes de roche pourrait avoir joué un rôle majeur dans le refroidissement du climat mondial il y a environ 65 millions d’années.

Ce travail a mobilisé des chercheurs du monde entier, depuis le martelage de roches dans les pièges du Deccan jusqu’à l’analyse d’échantillons en Angleterre et en Suède.

En laboratoire, les scientifiques ont estimé la quantité de soufre et de fluor injectée dans l’atmosphère par les éruptions volcaniques massives au cours des 200 000 années précédant l’extinction des dinosaures.

Remarquablement, ils ont découvert que la libération de soufre pourrait entraîner une baisse globale des températures dans le monde, un phénomène connu sous le nom d’hiver volcanique.

«Nos recherches montrent que les conditions climatiques étaient presque certainement instables, avec des hivers volcaniques fréquents qui auraient pu durer des décennies avant l’extinction des dinosaures», explique Don Baker, professeur au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill.

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« Cette instabilité aurait pu rendre la vie difficile à toutes les plantes et à tous les animaux et ouvrir la voie à un événement d’extinction des dinosaures. Nos travaux contribuent donc à expliquer cet événement d’extinction majeur qui a conduit à l’émergence des mammifères et à l’évolution de notre espèce. »

Découvrir les indices contenus dans des échantillons de roches anciennes n’a pas été une tâche facile. En fait, une nouvelle technique développée à McGill a aidé à déchiffrer l’histoire volcanique.

La technologie permettant d’estimer les émissions de soufre et de fluor – un mélange complexe de chimie et d’expériences – s’apparente un peu à la cuisson des pâtes.

« Imaginez faire des pâtes à la maison. Vous faites bouillir de l’eau, ajoutez du sel, puis les pâtes. Une partie du sel de l’eau entre dans les pâtes, mais pas beaucoup », explique Baker.

De même, certains éléments restent piégés dans les minéraux lorsqu’ils refroidissent après une éruption volcanique. Tout comme vous pouvez calculer les concentrations de sel dans l’eau dans laquelle les pâtes sont cuites en analysant le sel contenu dans les pâtes elles-mêmes, la nouvelle technique a permis aux scientifiques de mesurer le soufre et le fluor dans des échantillons de roche. Grâce à ces informations, les scientifiques ont pu calculer la quantité de ces gaz émis lors des explosions.

Les résultats représentent un pas en avant dans la reconstitution des anciens secrets de la Terre et ouvrent la voie à une approche plus éclairée du changement climatique.

source: université McGill

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Les quasiparticules difficiles à déplacer glissent sur les bords de la pyramide

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28 novembre 2023

(Actualités NanworkUn nouveau type de « fil » pour piloter les excitons, développé à l’Université du Michigan, pourrait contribuer à la création d’une nouvelle classe de dispositifs, comprenant peut-être des ordinateurs quantiques à température ambiante.

En outre, l’équipe a observé une violation significative de la relation d’Einstein, utilisée pour décrire la façon dont les particules se propagent dans l’espace, et l’a exploitée pour déplacer les excitons dans des faisceaux beaucoup plus petits qu’il n’était possible auparavant.

Prises principales

  • Un nouveau « fil » pour transporter les excitons, qui pourrait permettre des progrès dans l’informatique quantique et l’efficacité des appareils actuels.
  • Observation d’écarts significatifs par rapport à la théorie de la diffusion des particules d’Einstein, entraînant un mouvement des excitons plus compact.
  • Les excitons, qui sont des paires électron-trou, offrent des avantages en informatique en raison de leur charge neutre et de leur facilité de conversion vers/depuis la lumière.
  • L’informatique quantique à température ambiante est une application potentielle, tirant parti des excitons pour coder et traiter l’information quantique.
  • Une nouvelle structure hiérarchique pour un transport précis des excitons, surmontant le défi du déplacement de ces particules neutres.
  • Une pyramide à trois côtés, avec un côté d'environ six micromètres de long et un quart de micromètre de long.  Dans un coin de la base de la pyramide se trouve une ligne verte qui ressemble à une courbe en cloche.  La flèche rouge pointe vers le bord supérieur de la pyramide vers le sommet.  La pyramide est située sur une surface bleue et est bleue en bas, blanche au milieu et rouge en haut. Micrographie couleur à force atomique d’une pyramide de dioxyde de silicium recouverte d’une seule couche de diséléniure de tungstène. La ligne verte est un histogramme de la distribution des excitons et la flèche rouge montre son chemin depuis le bas de la pyramide. Les couleurs du toit et de la pyramide indiquent l’élévation à cet endroit. (Image : Laboratoire d’excitons et de photonique et Laboratoire de théorie quantique, Université du Michigan)
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    recherche

    « La nature utilise des excitons dans la photosynthèse. Nous utilisons des excitons dans les écrans OLED, certaines LED et les cellules solaires », a déclaré Parag Deutari, co-auteur de l’étude, dans la revue. ACS Nano (« Amélioration du transport par dérive des excitons grâce à la suppression de la diffusion dans des guides unidimensionnels. ») Superviseur des travaux expérimentaux et professeur agrégé de génie électrique et informatique. « Être capable de déplacer les excitons là où nous le souhaitons nous aidera à améliorer l’efficacité des appareils qui utilisent déjà des excitons et à élargir la portée des excitons en informatique. »

    Un exciton peut être considéré comme une particule (et donc une quasi-particule), mais il s’agit en réalité d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau de la matière (« un trou »). Étant donné qu’un exciton n’a pas de charge électrique nette, les excitons en mouvement ne sont pas affectés par la capacité parasite, qui est une interaction électrique entre les composants adjacents d’un dispositif provoquant une perte d’énergie. Les excitons sont également faciles à convertir vers et depuis la lumière, ce qui ouvre la voie à des ordinateurs très rapides et efficaces utilisant une combinaison d’optiques et d’excitons plutôt que d’électronique.

    Cette combinaison pourrait contribuer à permettre l’informatique quantique à température ambiante, a déclaré Makelo Kira, co-auteur de l’étude et professeur de génie électrique et informatique. Les excitons peuvent coder des informations quantiques et peuvent les conserver plus longtemps que les électrons à l’intérieur des semi-conducteurs. Mais ce temps se mesure toujours en picosecondes (10-1 2 secondes) au mieux, alors Kira et d’autres ont découvert comment utiliser les impulsions laser femtoseconde (10-15 secondes) pour traiter les informations.

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    « Les applications de l’information quantique complète restent un défi car la dégradation de l’information quantique est trop rapide pour l’électronique ordinaire », a-t-il déclaré. « Nous explorons actuellement l’électronique à ondes lumineuses comme moyen d’augmenter la puissance des excitons avec des capacités de traitement très rapides. »

    Cependant, l’absence de charge nette rend très difficile le transport des excitons. Auparavant, Diotari avait mené une étude qui faisait passer des excitons à travers un semi-conducteur à l’aide d’ondes sonores. Désormais, la structure hiérarchique permet une transmission plus précise d’un petit nombre d’excitons, confinés à une seule dimension comme un fil.

    Cela fonctionne comme ceci :

    L’équipe a utilisé un laser pour créer un nuage d’excitons dans le coin de la base de la pyramide, provoquant le rebond des électrons de la bande de valence du semi-conducteur vers la bande de conduction, mais les électrons chargés négativement étaient toujours attirés vers les trous chargés positivement restant dans la pyramide. . Bande de Valence. Le semi-conducteur est une seule couche de semi-conducteur au diséléniure de tungstène, d’une épaisseur de seulement trois atomes, drapée sur la pyramide comme un tissu extensible. L’étirement des semi-conducteurs modifie le paysage énergétique rencontré par les excitons.

    Il semble contre-intuitif que les excitons s’élèvent jusqu’au bord de la pyramide et s’installent au sommet lorsque l’on imagine un paysage énergétique régi principalement par la gravité. Au lieu de cela, le paysage est régi par la distance entre les bandes de valence et de conduction du semi-conducteur. L’écart énergétique entre les deux, également connu sous le nom de bande interdite du semi-conducteur, diminue à mesure que le semi-conducteur s’étire. Les excitons migrent vers l’état d’énergie le plus bas, se dirigent vers le bord de la pyramide où ils montent ensuite jusqu’à son sommet.

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    L’équation formulée par Einstein est généralement efficace pour décrire comment un groupe de particules se propage vers l’extérieur et dérive. Cependant, le semi-conducteur était imparfait et ces imperfections servaient de pièges qui capturaient certains des excitons lorsqu’ils tentaient de dériver. Étant donné que les défauts à l’arrière du nuage d’excitons ont été comblés, ce côté de la distribution s’est étendu vers l’extérieur comme prévu. Mais l’avant-garde ne s’est pas encore étendue. La relation d’Einstein variait d’un facteur de plus de 10.

    « Nous ne disons pas qu’Einstein avait tort, mais nous avons montré que dans des cas complexes comme celui-ci, nous ne devrions pas utiliser sa relation pour prédire le mouvement des excitons issus de la diffusion », a déclaré Matthias Florian, co-premier auteur de l’article. Chercheur et chercheur en génie électrique et informatique, travaillant sous la supervision de Kira.

    Pour mesurer les deux directement, l’équipe devait détecter des photons uniques, émis lorsque des électrons liés et des trous se combinent spontanément. À l’aide de mesures de temps de vol, ils ont également détecté la source des photons avec suffisamment de précision pour mesurer la répartition des excitons dans le nuage.

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