Fentes, Recoins et Pores : Comment restent-ils Chargés ?

Des expériences sur des « fentes » à l’échelle nanométrique pourraient nous orienter vers de meilleurs matériaux poreux pour le stockage d’électricité.


Les nanopores de ce câble fin augmentent la surface capable de retenir des molécules chargées, mais la transmission peut être lente. Image : Joe Monk, Wikimedia

La capacité de stockage d’énergie est une caractéristique cruciale des smartphones, ordinateurs portables, véhicules électriques et d’une large gamme d’appareils fonctionnant sur batterie. Une solution habituelle est l’utilisation de supercondensateurs, une nouvelle catégorie de composants à haute énergie qui stockent la charge dans des électrodes faites de matériels poreux. Les pores – des fissures et recoins nanométriques – augmentent fortement la surface disponible pour stocker des particules chargées. Mais ils ralentissent aussi la vitesse à laquelle ces électrodes peuvent être chargées ou déchargées. Comme détaillé dans un article récemment publié dans Nature Communications, des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont développé une méthode pour mesurer la vitesse à laquelle la charge est acceptée ou libérée par chaque nanopore.

Au départ, batteries et supercondensateurs n’étaient pas l’objet d’étude des scientifiques de l’Institut Weizmann. En réalité, le professeur Jacob Klein du Département des Matériaux et Interfaces et ses collègues voulaient savoir ce qui arrive aux forces agissant entre deux surfaces à l’échelle nanométrique quand le potentiel électrique de l’une d’elle est modifié. Les chercheurs ont conçu un appareillage dans lequel deux plaques rondes très lisses – l’une en or, l’autre en mica, un matériau isolant – sont placées face à face et très proches mais séparées. Cette installation créait une sorte de nano-fente définie par les dimensions de cet espace – environ 50 nanomètres (ou milliardièmes de mètre) de long et un diamètre d’environ 100 microns (ou millionièmes de mètre). Les scientifiques ont immergé les plaques dans une solution contenant des ions chargés, ils ont instantanément changé le potentiel de la surface de l’or et ont mesuré la force électrostatique créée par ce changement. Cette force fait que les surfaces électriquement chargées s’attirent ou se repoussent.


(de gauche à droite) Le docteur Gilad Silbert et les professeurs Jacob Klein et Sam Safran

L’évolution de ces forces a apporté beaucoup d’informations sur la dynamique de chargement dans le nano-espace. L’expérience leur a notamment permis de mesurer le temps pris par les surfaces pour acquérir la nouvelle charge et celui pour la perdre.

« Nous avons compris que mesurer les forces à travers notre nano-fente permettait de mesurer le temps de chargement d’un nanopore dans une électrode – c’est-à-dire le temps pris par les ions chargés pour entrer ou sortir de ce pore, » dit le professeur Klein. En s’appuyant sur des recherches faites précédemment par le docteur Liraz Chai, le professeur Klein a mené une étude avec les docteurs Ran Tivony et Gilad Sibert, le professeur Sam Safran son collègue du département, et le professeur Philip Pincus de l’Université de Santa Barbara en Californie.

 


Diagramme de l’appareillage expérimental qui a permis aux scientifiques de monitorer les forces agissant dans la nano-fente entre les surfaces d’or et de mica

Dans cette expérience, il a fallu environ une seconde pour que les ions chargés entrent ou sortent de la nano-fente. Des paramètres variés peuvent affecter la durée de cette entrée et de cette sortie. Ainsi, le chargement est plus rapide quand la fente est plus large et quand la concentration d’ions dans la solution est plus élevée. Et inversement : le chargement est plus long quand la fente est plus étroite. Ces découvertes suggèrent que les mesures effectuées lors de cette étude peuvent aider directement le développement de matériaux poreux améliorés. En fait, ces résultats permettent aux expérimentateurs de vérifier quels sont les paramètres à changer dans un matériau donné afin d’accélérer la charge et la transmission de cette charge. De telles expérimentations peuvent aider à améliorer les électrodes poreuses utilisées dans les technologies existantes mais également leur donner une nouvelle utilisation dans des technologies émergentes, comme la désalinisation de l’eau ou l’extraction d’énergie renouvelable à partir de solutions salines.

 


Dr. Ron Tivony

Les recherches du professeur Jacob Klein sont financées par la Fondation Charles W. McCutchen, la Fondation Edmond de Rothschild, Simon et Olga (Golde) Picker et le Conseil Européen pour la Recherche. Le professeur Kklein est détenteur de la Chaire Professorale de Physique des Polymères Hermann Mark.