Des chercheurs de la Virginia Commonwealth University ont découvert une nouvelle stratégie pour créer des superatomes, des combinaisons d'atomes pouvant imiter les propriétés de plus d'un groupe d'éléments du tableau périodique. Ces superatomes pourraient être utilisés pour créer de nouveaux matériaux, y compris des batteries plus efficaces et de meilleurs semi-conducteurs ; un composant de base des puces électroniques, transistors et la plupart des appareils informatisés.

Les batteries et les semi-conducteurs reposent sur le mouvement des charges d'un groupe d'atomes à un autre. Au cours de ce processus, les électrons sont transférés des atomes donneurs aux atomes accepteurs. La formation de superatomes pouvant fournir ou accepter plusieurs électrons tout en maintenant la stabilité structurelle est une exigence clé pour créer de meilleures batteries ou semi-conducteurs, dit Shiv Khanna, Doctorat., Professeur du Commonwealth et président du Département de physique du Collège des sciences humaines. La capacité des superatomes à déplacer efficacement les charges tout en restant intactes est attribuée à la façon dont ils imitent les propriétés de plusieurs groupes d'éléments.

"Nous avons conçu une nouvelle approche dans laquelle on peut synthétiser de tels superatomes à base de métal, " a déclaré Khanna.

Dans un article publié en Communication Nature La semaine dernière, Khanna a théoriquement prouvé une méthode de construction de superatomes qui pourrait entraîner la création de matériaux énergétiques plus efficaces. Le travail a été financé par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force.

"Les semi-conducteurs sont utilisés dans toutes les sphères de la vie, ", a déclaré Khanna. "Des superatomes qui pourraient considérablement améliorer le don d'électrons seraient un avantage sociétal important."

Actuellement, atomes alcalins, qui forment la première colonne du tableau périodique, sont optimales pour le don d'électrons. Ces atomes naturels nécessitent une faible quantité d'énergie pour donner un électron. Cependant, donner plus d'un électron nécessite une quantité d'énergie prohibitive.

Khanna et ses collègues Arthur Reber, professeur agrégé de physique, et Vikas Chauhan, un stagiaire postdoctoral au Département de physique, ont créé un processus par lequel des grappes d'atomes peuvent donner ou recevoir plusieurs électrons en utilisant de faibles niveaux d'énergie.

"La possibilité d'avoir ces blocs de construction qui peuvent accepter plusieurs charges ou faire don de plusieurs charges aurait à terme des applications étendues dans l'électronique, " a déclaré Khanna.

Alors que de tels superatomes ont déjà été fabriqués, il n'y a jamais eu de théorie directrice pour le faire efficacement. Khanna et ses collègues pensent que les ligands organiques, des molécules qui lient les atomes métalliques pour les protéger et les stabiliser, peuvent améliorer l'échange d'électrons sans compromettre les niveaux d'énergie.

Ils ont considéré cette théorie en utilisant des groupes d'amas d'aluminium mélangés avec du bore, carbone, silicium et phosphore, associé à des ligands organiques. En utilisant l'analyse informatique, ils ont démontré que le cluster utiliserait encore moins d'énergie pour donner un électron que le francium, le plus puissant donneur d'électrons alcalins d'origine naturelle.

"Nous pourrions utiliser des ligands pour prendre n'importe quel groupe d'atomes et le transformer en un donneur ou un accepteur d'électrons, ", a déclaré Khanna. "Nous pourrions former des donneurs d'électrons plus puissants que n'importe quel élément du tableau périodique."