Certains des plus petits cristaux du monde sont connus sous le nom d'"atomes artificiels" car ils peuvent s'organiser en structures qui ressemblent à des molécules, y compris les "super-réseaux" qui sont des blocs de construction potentiels pour de nouveaux matériaux.

Aujourd'hui, des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont fait la première observation de ces nanocristaux formant rapidement des super-réseaux alors qu'ils sont eux-mêmes encore en croissance. Ce qu'ils apprendront aidera les scientifiques à affiner le processus d'assemblage et à l'adapter pour fabriquer de nouveaux types de matériaux pour des choses comme le stockage magnétique, cellules solaires, l'optoélectronique et les catalyseurs qui accélèrent les réactions chimiques.

La clé de son fonctionnement a été la découverte fortuite que les super-réseaux peuvent se former très rapidement - en quelques secondes plutôt qu'en heures ou en jours habituels - lors de la synthèse de routine des nanocristaux. Les scientifiques ont utilisé un puissant faisceau de rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC pour observer la croissance de nanocristaux et la formation rapide de super-réseaux en temps réel.

Un article décrivant la recherche, qui a été fait en collaboration avec des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du DOE, a été publié aujourd'hui dans La nature .

"L'idée est de voir si nous pouvons obtenir une compréhension indépendante de la façon dont ces super-réseaux se développent afin de pouvoir les rendre plus uniformes et contrôler leurs propriétés, " a déclaré Chris Tassone, un scientifique du SSRL qui a dirigé l'étude avec Matteo Cargnello, professeur adjoint de génie chimique à Stanford

De minuscules cristaux aux propriétés démesurées

Les scientifiques fabriquent des nanocristaux en laboratoire depuis les années 1980. En raison de leur petite taille - ils mesurent des milliardièmes de mètre de large et n'en contiennent que 100 à 10, 000 atomes chacun - ils sont régis par les lois de la mécanique quantique, et cela leur donne des propriétés intéressantes qui peuvent être modifiées en faisant varier leur taille, forme et composition. Par exemple, nanocristaux sphériques appelés points quantiques, qui sont constitués de matériaux semi-conducteurs, brillent dans des couleurs qui dépendent de leur taille; ils sont utilisés en imagerie biologique et plus récemment dans les écrans de télévision haute définition.

Au début des années 1990, les chercheurs ont commencé à utiliser des nanocristaux pour construire des super-réseaux, qui ont la structure ordonnée des cristaux réguliers, mais avec de petites particules à la place des atomes individuels. Ces, trop, devraient avoir des propriétés inhabituelles qui sont plus que la somme de leurs parties.

Mais jusqu'à maintenant, les super-réseaux se sont développés lentement à basse température, parfois en quelques jours.

Cela a changé en février 2016, lorsque Liheng Wu, chercheur postdoctoral à Stanford, a découvert par hasard que le processus peut se produire beaucoup plus rapidement que les scientifiques ne l'avaient pensé.

"Quelque chose d'étrange se passe"

Il essayait de fabriquer des nanocristaux de palladium - un métal argenté utilisé pour favoriser les réactions chimiques dans les convertisseurs catalytiques et de nombreux processus industriels - en chauffant une solution contenant des atomes de palladium à plus de 230 degrés Celsius. Le but était de comprendre comment ces minuscules particules se forment, ainsi leur taille et d'autres propriétés pourraient être plus facilement ajustées.

L'équipe a ajouté de petites fenêtres à une chambre de réaction de la taille d'une mandarine afin de pouvoir la traverser avec un faisceau de rayons X SSRL et de regarder ce qui se passait en temps réel.

"C'est un peu comme la cuisine, " expliqua Cargnello. " La chambre de réaction est comme une casserole. On ajoute un solvant, qui est comme l'huile de friture; les principaux ingrédients des nanocristaux, tel que le palladium; et condiments, qui dans ce cas sont des composés tensioactifs qui ajustent les conditions de réaction afin que vous puissiez contrôler la taille et la composition des particules. Une fois que vous avez tout ajouté dans la casserole, vous le chauffez et faites frire vos affaires."

Wu et Joshua Willis, étudiant diplômé de Stanford, s'attendaient à voir le motif caractéristique créé par la diffusion des rayons X sur les minuscules particules. Ils ont plutôt vu un motif complètement différent.

"Alors quelque chose de bizarre se passe, " ils ont envoyé un texto à leur conseiller.

Le quelque chose de bizarre était que les nanocristaux de palladium s'assemblaient en super-réseaux.

Un équilibre des forces

À ce point, "Le défi était de comprendre ce qui rapproche les particules et les attire les unes aux autres mais pas trop fort, afin qu'ils aient de la place pour se tortiller et s'installer dans une position ordonnée, " a déclaré Jian Qin, un professeur adjoint de génie chimique à Stanford qui a effectué des calculs théoriques pour mieux comprendre le processus d'auto-assemblage.

Une fois les nanocristaux formés, ce qui semble se produire, c'est qu'ils acquièrent une sorte de revêtement velu de molécules de tensioactif. Les nanocristaux s'assemblent, attirés par des forces faibles entre leurs noyaux, puis un équilibre finement réglé des forces attractives et répulsives entre les molécules de tensioactif pendantes les maintient dans la bonne configuration pour que le super-réseau se développe.

A la surprise des scientifiques, les nanocristaux individuels ont ensuite continué à croître, avec les super-réseaux, jusqu'à ce que tous les ingrédients chimiques de la solution soient épuisés, et cette croissance supplémentaire inattendue a fait gonfler le matériau. Les chercheurs ont dit qu'ils pensent que cela se produit dans un large éventail de systèmes de nanocristaux, mais n'avait jamais été vu car il n'y avait aucun moyen de l'observer en temps réel avant les expériences de l'équipe à SSRL.

"Une fois que nous avons compris ce système, nous avons réalisé que ce processus peut être plus général que nous ne le pensions initialement, " a déclaré Wu. "Nous avons démontré que ce n'est pas seulement limité aux métaux, mais il peut également être étendu aux matériaux semi-conducteurs et très probablement à un ensemble beaucoup plus large de matériaux. »

L'équipe a effectué des expériences de suivi pour en savoir plus sur la croissance des super-réseaux et sur la manière dont ils peuvent modifier la taille, composition et les propriétés du produit fini.