Les scientifiques de l'Université Lehigh, en collaboration avec Lawrence Berkeley National Laboratory, ont démontré la fabrication de ce qu'ils appellent une nouvelle classe de solides cristallins en utilisant une technique de chauffage au laser qui induit les atomes à s'organiser en un réseau en rotation sans affecter la forme macroscopique du solide.

En contrôlant la rotation du réseau cristallin, les chercheurs disent qu'ils seront en mesure de fabriquer un nouveau type de monocristaux synthétiques et de matériaux « bio-inspirés » qui imitent la structure de biominéraux spéciaux ainsi que leurs propriétés électroniques et optiques supérieures.

Le groupe a rendu compte de ses conclusions aujourd'hui (3 novembre) dans Rapports scientifiques , un journal Nature, dans un article intitulé "Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass." L'auteur principal de l'article est Dmytro Savytskii, chercheur au département de science et ingénierie des matériaux à Lehigh.

Les autres auteurs sont Volkmar Dierolf, professeur distingué et président du département de physique à Lehigh; Himanshu Jain, le T.L. Diamond Distinguished Chair in Engineering and Applied Science et professeur de science des matériaux et d'ingénierie à Lehigh; et Nobumichi Tamura du Lawrence Berkeley National Lab à Berkeley, Californie.

Le développement des cristaux simples à réseau rotatif (RLS) fait suite à une découverte signalée en mars dans Rapports scientifiques dans lequel le groupe Lehigh a démontré pour la première fois qu'un monocristal pouvait être cultivé à partir de verre sans faire fondre le verre.

Dans un solide cristallin typique, les atomes sont disposés en réseau, une répétition régulière, ou structure tridimensionnelle périodique. Vu sous n'importe quel angle, de gauche à droite, haut et bas, d'avant en arrière - une périodicité spécifique au cristal devient évidente. Un verre, par contre, est un matériau amorphe à structure atomique désordonnée.

Parce qu'ils n'ont pas de joints de grains entre les cristaux d'interconnexion, les matériaux monocristallins possèdent souvent des propriétés mécaniques exceptionnelles, propriétés optiques et électriques. Les monocristaux donnent aux diamants leur éclat et les aubes de turbines à réaction leur résistance aux forces mécaniques. Et le monocristal de silicium dont est constituée une puce de silicium lui confère des propriétés conductrices supérieures qui constituent la base de la microélectronique.

La périodicité, ou motif répétitif, dans un monocristal à réseau tournant, dirent Jain et Dierolf, diffère de la périodicité d'un monocristal typique.

"Nous avons découvert que lorsque nous cultivons un cristal à partir de verre, " dit Jaïn, "la périodicité ne résulte pas d'une certaine manière. Dans un sens, ça a l'air parfait, mais si vous tournez le treillis et le regardez sous un angle différent, vous voyez que toute la structure tourne."

"Dans un matériau monocristallin typique, " dit Dierolf, "une fois que j'ai compris comment le motif se répète, alors, si je connais l'emplacement précis d'un atome, Je peux prédire l'emplacement précis de chaque atome. Ceci n'est possible que parce que les monocristaux possèdent un ordre à longue distance.

"Lorsque nous cultivons un cristal RLS en verre, cependant, nous avons constaté que la périodicité ne résulte pas d'une certaine manière. Pour prédire l'emplacement de chaque atome, Je dois connaître non seulement l'emplacement précis d'un atome particulier, mais aussi l'angle de rotation du réseau.

"Ainsi, nous devons légèrement modifier la définition du manuel des monocristaux."

La rotation, dit Jaïn, se produit à l'échelle atomique et n'affecte pas la forme du matériau en verre. "Seul le chapelet d'atomes se plie, pas tout le matériel. Nous pouvons voir la courbure du réseau cristallin avec la diffraction des rayons X."

Pour réaliser cette rotation, les chercheurs chauffent une très petite partie de la surface d'un matériau en verre solide avec un laser, ce qui rend les atomes plus flexibles.

"Les atomes veulent s'arranger en ligne droite mais le verre environnant ne le permet pas, " dit Jain. " Au lieu de cela, le verre, étant complètement solide, force la configuration des atomes à se plier. Les atomes se déplacent et tentent de s'organiser en un réseau cristallin, idéalement dans un monocristal parfait, mais ils ne le peuvent pas parce que le verre empêche la formation du cristal parfait et force les atomes à s'arranger en un réseau de rotation. La beauté est que la rotation se fait en douceur sur l'échelle micrométrique.

"Notre laser impose une certaine asymétrie à la croissance du cristal. Nous contrôlons l'asymétrie de la source de chauffage pour imposer ce schéma de rotation aux atomes."

La capacité du groupe à contrôler la quantité de chauffage est essentielle à la formation du réseau en rotation, dit Jaïn.

"La clé de la création du réseau atomique en rotation est qu'il se produit sans faire fondre le verre. La fusion permet une trop grande liberté de mouvement atomique, ce qui rend impossible le contrôle de l'organisation du réseau.

"Notre manière subtile de chauffer le verre surmonte cela. Nous ne chauffons que la surface du verre, pas à l'intérieur. C'est très précis, chauffage très localisé. Il ne provoque qu'un mouvement limité des atomes, et cela nous permet de contrôler la façon dont le réseau atomique se pliera."

Des réseaux tournants ont été observés dans certains biominéraux de l'océan, dirent Jain et Dierolf, et il peut également se produire à très petite échelle dans certains minéraux naturels comme les sphérolites.

"Mais personne n'avait auparavant fait cela à plus grande échelle de manière contrôlée, ce que nous avons accompli avec l'imposition asymétrique d'un laser pour provoquer la rotation du réseau, " dit Jaïn.

"Les scientifiques n'étaient pas en mesure de comprendre ce phénomène auparavant car ils ne pouvaient pas l'observer à une échelle suffisamment grande. Nous sommes le premier groupe à induire que cela se produise sur une dimension effectivement illimitée avec un laser."

Jain et Dierolf et leur groupe prévoient d'autres études pour améliorer leur capacité à manipuler l'ordre des atomes.

Les chercheurs ont effectué le chauffage laser du verre à Lehigh et caractérisé le verre par micro diffraction des rayons X sur un synchrotron du Lawrence Berkeley National Lab. Ils prévoient d'effectuer une caractérisation plus poussée à Berkeley et par microscopie électronique à Lehigh.

Le projet a été financé pendant six ans par le département américain de l'Énergie.

"C'est une nouvelle façon de fabriquer des monocristaux, " a déclaré Dierolf. " Il ouvre un nouveau domaine en créant un matériau aux propriétés uniques, propriétés nouvelles."