Figure 1. Échantillons et configuration expérimentale. a) Structure cristalline de α- et β-In2Se3.[20, 31] Les cases pleines marquent les cellules unitaires de α-In2Se3 (2H) et β-In2Se3 (3R). b) spectres Raman pour les paillettes α- et β-In2Se3 ; encarts—images optiques des flocons. c) Schéma de principe du montage pompe-sonde pour mesurer la vitesse du son :PD - photodétecteur; SHG—générateur de seconde harmonique ; f1 et f2 sont les taux de répétition des impulsions des lasers pompe et sonde, respectivement. Ici, f1, f2 ≈ 80 MHz et une petite différence f1 – f2 =800 Hz entraînent un balayage temporel lent des impulsions de la sonde par rapport aux impulsions de la pompe, fournissant une résolution temporelle ≈1 ps. Les flèches en pointillé indiquent la direction de la lumière. d) Le fragment agrandi de l'espace de l'échantillon dans les expériences PU avec une pompe à 400 nm et une sonde à 800 nm. Crédit :DOI :10.1002/adfm.202106206
Les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour mesurer la force et les liaisons atomiques à l'échelle nanométrique qui révèle que la vitesse du son dépend de la structure qu'il traverse.
Des scientifiques de l'Université de Nottingham et de l'Université de Loughborough ont utilisé une méthode de mesure appelée ultrasons picosecondes, similaire à l'échographie médicale, pour mesurer la force de la liaison atomique dans le matériau. Leurs recherches ont été publiées dans Matériaux fonctionnels avancés .
La force est fondamentale pour tout dans la vie quotidienne. D'aussi grande échelle que la force gravitationnelle qui souligne le fonctionnement de l'univers entier, à aussi petite échelle que l'interaction électron-électron qui peut être ébouriffante. La force est très difficile à mesurer surtout lorsque les forces sont trop grandes ou trop petites, c'est notamment le cas lorsque l'on entre dans le nanomonde, par exemple dans les matériaux dits bidimensionnels de van der Waals (2D-vdW) où les objets ont des échelles de longueur de l'ordre de 10 -9 mètres.
Ces matériaux sont appelés matériaux 2D car leur géométrie, les propriétés physiques et chimiques sont confinées en deux dimensions à l'intérieur d'une mince feuille de matériau. Dans la feuille, les atomes sont étroitement liés les uns aux autres par de fortes liaisons covalentes ou ioniques, alors que les couches elles-mêmes sont maintenues ensemble par une faible force de van der Waals. La nature et la coexistence totalement différentes de ces forces de force très différentes permettent aux scientifiques de "décoller" le matériau des cristaux extraits volumineux pour perfectionner des couches atomiques uniques et de découvrir des phénomènes étonnants, notamment la supraconductivité à température ambiante. Dessiner sur une feuille de papier à l'aide de crayons par exemple, est en fait une expérience scientifique pour fabriquer des couches atomiques uniques d'atomes de carbone (graphène), quelque chose que nous faisons tous depuis des siècles sans nous en rendre compte. Malgré des recherches intensives sur les matériaux vdW par de nombreux groupes de recherche à travers le monde, il n'y a pratiquement pas de techniques expérimentales pour mesurer la force des liaisons atomiques et les forces vdW sans détruire les matériaux.
Wenjing Yan était l'un des principaux chercheurs de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Nottingham, elle explique :« Nous avons utilisé des ultrasons picosecondes pour mesurer à la fois les liaisons covalentes fortes et les forces vdW faibles sans endommager le matériau. La technique est similaire à l'échographie médicale mais avec une fréquence beaucoup plus élevée (térahertz) et donc non invasive. L'étude brille 120 femtoseconde (0.000000000000012 seconde) impulsions laser "pompe" sur des paillettes de matériaux 2D, générer des phonons qui sont des ondes sonores quantifiées. Au fur et à mesure que les phonons traversent le matériau, ils sentent et interagissent avec les atomes et les liaisons au sein du matériau. Les propriétés de ces phonons, qui reflètent la force des liaisons atomiques, est ensuite mesurée par une seconde impulsion laser "sonde". Nous avons découvert que le son se déplace à des vitesses très différentes dans différentes phases (structures) de la même substance."
Alexander Balanov et Mark Greenaway de l'Université de Loughborough développent :« En voyageant à travers le matériel vdW, l'onde acoustique ultrasonore ne détruit pas le cristal, ne le déforme que légèrement, ce qui signifie que la structure peut être considérée comme un système de « ressorts ». En connaissant la vitesse du son à partir des mesures et comment ces ressorts réagissent à la déformation, nous pouvons extraire la force relative des forces covalentes entre les atomes et les forces vdW entre les couches. Si nous appliquons la théorie de la fonction de densité à l'aide d'ordinateurs hautes performances, nous pouvons estimer numériquement ces forces pour différentes configurations d'empilement et suggérer comment régler l'élastique, propriétés électriques et même chimiques de différents polymorphes de matériaux vdW."
« Une bonne analogie avec nos découvertes peut être faite en pensant aux crêpes et au pudding du Yorkshire ! Les deux aliments sont fabriqués à partir du même mélange :œuf, farine et lait, mais leurs différents processus de cuisson leur confèrent des structures et des propriétés différentes. Bien que cela soit évident dans le monde macroscopique, trouver de telles différences dans les matériaux nanostructurés en raison de différences subtiles dans les forces vdW est surprenant et passionnant, " dit Wenjing Yan. "Cette recherche ouvre des possibilités pour régler les forces vdW en empilant les matériaux de différentes manières et en même temps surveiller de manière non destructive les propriétés de ces forces et leur corrélation avec les propriétés physiques et chimiques de la structure multicouche. En faisant cela, nous pourrons concevoir le matériau à des fins tout comme la construction de blocs Lego comme proposé par les lauréats du prix Nobel Andre Geim et Konstantin Novoselov."
