« Lasagne » haute performance : Les nouveaux matériaux 2D prennent leur envol
Dübendorf, 12.03.2026 — Il y a plus que le graphène : Dans le cadre d'un projet de recherche interdisciplinaire, les chercheurs de l'Empa se concentrent sur une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels, appelés MXènes. Ce groupe de matériaux polyvalents se prête aux applications les plus diverses, du stockage de l'énergie à la médecine. L'équipe de projet a réussi à faire des progrès décisifs dans la modélisation et la synthèse des MXènes.
Les matériaux bidimensionnels, constitués d'une seule couche d'atomes, font l'objet de nombreuses recherches. La bidimensionnalité leur confère de nombreuses propriétés avantageuses, que ce soit en termes de conductivité électrique ou de robustesse mécanique, et peut conduire à des effets physiques quantiques particuliers. Le matériau bidimensionnel le plus connu est sans doute le graphène, une forme de carbone. Mais ce n'est pas le seul. Une étoile montante dans le ciel 2D porte le nom de MXènes (prononcé « maxènes »).
Contrairement au graphène, qui n'est composé que d'atomes de carbone, les MXènes peuvent contenir un ou plusieurs métaux de transition en combinaison avec de l'azote ou du carbone. Ils sont fabriqués à partir de ce que l'on appelle des phases MAX : des cristaux céramiques qui ont une structure en couches – « un peu comme des lasagnes », compare Jakob Heier, chercheur à l'Empa. L'ajout d'un acide fort permet d'éliminer les couches intermédiaires par attaque chimique. Les couches restantes, qui ne sont alors plus liées chimiquement, sont séparées les unes des autres dans un bain à ultrasons – et les MXènes sont prêts.
Cette nouvelle classe de matériaux est particulièrement intéressante pour la recherche, car « le fait que les phases MAX puissent être constituées d'autant d'éléments différents et de combinaisons de ceux-ci permet de fabriquer des MXènes sur mesure pour de nombreuses applications », explique Jakob Heier. Toutefois, ces potentiels éléments à tout faire, découverts il y a seulement une quinzaine d'années, ne sont pas encore très répandus ni bien compris. Une initiative de recherche de l'Empa dirigée par Jakob Heier a pour objectif de changer cela.
Une recherche interdisciplinaire
L'initiative de recherche « TailorX » est ce que l'on appelle un « Research Booster », dans le cadre duquel plusieurs groupes de recherche collaborent au sein de l'Empa afin d'éclairer de manière approfondie un thème émergent pendant deux ans et de l'établir comme axe de recherche. Ainsi, des scientifiques de quatre laboratoires différents de l'Empa font des recherches sur les MXènes : « Functional Polymers », dont Jakob Heier fait partie, « High Performance Ceramics », « Building Energy Materials and Components » et « nanotech@surfaces ».
L'approche globale est payante, car : « Nous couvrons toute la gamme, de la recherche fondamentale et de la modélisation aux applications, en passant par la fabrication des phases MAX et des MXènes », explique Jakob Heier. « C'est une grande force de l'Empa que toutes ces compétences soient réunies dans un seul institut ».
Le projet a été lancé en 2024 et touche à sa fin. Les co-initiateurs sont satisfaits des résultats. « Nous disposons maintenant d'un grand portefeuille de différentes phases MAX que nous pouvons synthétiser avec un degré de pureté élevé », déclare Michael Stuer du laboratoire « High Performance Ceramics ». La synthèse des cristaux de départ n'est en effet pas si simple ; il ne suffit pas de mélanger les éléments souhaités dans les bonnes proportions. « Grâce à une meilleure compréhension de la synthèse, nous avons pu synthétiser de nombreuses phases MAX de différentes complexités chimiques, qui ne sont pas encore disponibles sur le marché », poursuit Michael Stuer.
Capturer le CO₂ et traiter le cancer
Les spécialistes de la synthèse ont reçu le soutien du laboratoire « nanotech@surfaces », dont les chercheurs ont développé différents modèles d'IA pour les phases MAX et les MXènes. Cela permet de prédire et de comprendre la synthèse des phases et leur géométrie individuelle. Mais la modélisation est également centrale pour l'application des MXènes, car : « Nous développons actuellement un modèle qui décrit l'interaction des MXènes avec le CO₂ », explique Cesare Roncaglia, chercheur de « nanotech@surfaces ».
L'absorption et la transformation du dioxyde de carbone sont au cœur des applications possibles pour les MXènes. Grâce à leur grande surface, les matériaux 2D peuvent potentiellement « capturer » le CO₂ de l'air – et aussi aider à le transformer en matières premières utilisables, conformément à l'initiative de recherche à grande échelle de l'Empa « Mining the Atmosphere ».
Mais le potentiel des MXènes n'est pas épuisé pour autant. Les nanoparticules 2D polyvalentes pourraient également être utilisées dans la catalyse au sens large, dans le stockage de l'énergie ou dans la technologie des capteurs. Et même en médecine : certains MXènes promettent une action antimicrobienne ou une thérapie ciblée contre le cancer. Dans cette optique, les participants au projet étudient également, en collaboration avec des chercheurs de l'Empa à Saint-Gall, leurs effets sur les cellules vivantes ainsi que sur l'environnement.
Respectueux de l'environnement et évolutifs
La fabrication des MXènes est également au cœur de la compatibilité environnementale. Pour les extraire des phases MAX, on utilise en effet généralement des acides fortement corrosifs. C'est non seulement dangereux pour l'homme et polluant pour l'environnement, mais aussi coûteux. « Le processus de gravure est l'une des raisons pour lesquelles seuls quelques MXènes sont disponibles dans le commerce », explique Shanyu Zhao du laboratoire « Building Energy Materials and Components ». Dans le projet « TailorX », lui et son équipe ont non seulement travaillé sur les applications et la caractérisation des MXènes, mais aussi développé une méthode « verte » alternative à leur exfoliation de la phase MAX. « Notre procédé renonce à l'acide fluorhydrique, agressif et dangereux, et est en outre plus efficace et plus doux, ce qui le rend à la fois durable et évolutif », dit Shanyu Zhao.
La fin du « Research Booster » marque désormais pour les chercheurs le début de leur travail avec les matériaux 2D polyvalents. Ils ont déjà lancé d'autres projets dont l'objectif est d'introduire les MXènes dans les applications les plus diverses, par exemple dans des supercondensateurs puissants, des batteries d'un nouveau genre, des aérogels à isolation électromagnétique et des capteurs médicaux. Parallèlement, la recherche fondamentale sur cette jeune classe de matériaux se poursuit. « Grâce à leur flexibilité et à leur adaptabilité, les MXènes offrent de tels avantages que les applications ne se feront pas attendre longtemps », affirme Jakob Heier.
Informations
Dr. Jakob Heier
Functional Polymers
Tél. +41 58 765 43 56
jakob.heier@empa.ch
Dr. Michael Stuer
High Performance Ceramics
Tél. +41 58 765 41 83
michael.stuer@empa.ch
Dr. Shanyu Zhao
Building Energy Materials and Components
Tél. +41 58 765 42 44
shanyu.zhao@empa.ch
Dr. Cesare Roncaglia
nanotech@surfaces
Tél. +41 58 765 44 52
cesare.roncaglia@empa.ch