Les applications exigeantes d'aujourd'hui dans la fabrication de produits chimiques, production et stockage d'énergie, dépollution, et les soins de santé stimulent le développement de nouveaux matériaux dotés de fonctionnalités catalytiques et optoélectroniques. Cependant, prédire et contrôler les propriétés de tels matériaux, les scientifiques ont étudié leur processus de développement au niveau moléculaire. Souvent, une compréhension détaillée est entravée par la présence d'une soupe complexe et mal définie de molécules spectateurs qui compliquent l'interprétation des résultats expérimentaux et rendent difficile la modélisation théorique de haut niveau.

Pour mettre en évidence une nouvelle approche pour surmonter ce défi, des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et de l'Université Purdue se sont associés pour examiner la technique d'atterrissage en douceur des ions et son application à la synthèse de matériaux. L'utilisation de cette technique pour placer en douceur des molécules sélectionnées sur des surfaces permet aux scientifiques de maintenir un contrôle exquis sur les ingrédients moléculaires qui composent les matériaux complexes.

L'effort a récemment été inclus dans un article de revue invité présenté dans l'édition internationale d'Angewandte Chemie intitulé "Des ions isolés aux matériaux fonctionnels multicouches utilisant l'atterrissage en douceur des ions".

Dans l'article de synthèse, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, et Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran décrivent l'approche et les avantages de la technique d'atterrissage en douceur des ions. Par exemple, un tel contrôle précis est obtenu en convertissant d'abord les molécules en ions, qui sont faciles à manipuler à l'aide de champs électriques et magnétiques. Les ions sont ensuite triés avec précision en fonction de leur composition et de leur état de charge ionique et délivrés sous forme de faisceau concentré de forme et de taille connues sur une surface pour préparer des films et des nanostructures sur mesure. Les matériaux résultants ont des compositions prédéterminées, ce qui rend leurs propriétés physiques mesurées et leur réactivité chimique plus faciles à attribuer à des caractéristiques géométriques et électroniques spécifiques observées expérimentalement. Cette, à son tour, permet une modélisation théorique et une approche prédictive, par opposition à une approche par essais et erreurs, de la conception de matériaux.

"L'atterrissage en douceur des ions permet aux scientifiques de contrôler avec précision la composition et la couverture d'un large éventail de molécules, y compris des espèces non volatiles qui sont autrement difficiles à déposer, " dit Johnson, un physico-chimiste au PNNL. Johnson a mentionné que la technique peut également être utilisée pour générer de nouveaux clusters et nanoparticules à l'aide de techniques basées sur la pulvérisation cathodique énergétique ainsi que des intermédiaires hautement réactifs qui ne peuvent pas être produits à l'aide de méthodes conventionnelles.

Ces scientifiques ont été invités à rédiger la revue en raison de leur rôle de premier plan dans le développement de la technique pour les études sur le stockage d'énergie, synthèse de matériaux, et la catalyse et leurs contributions substantielles au domaine plus large des interactions ion-surface.

"Nous sommes fascinés par la technique d'atterrissage en douceur des ions depuis plus d'une décennie, " dit Laskin, professeur de chimie à l'Université Purdue. "Au cours des années, nous avons établi à la fois les capacités expérimentales et la compréhension des phénomènes clés qui sont nécessaires pour le développer en une approche puissante pour la synthèse de matériaux."

Comprendre les relations structure-propriété est essentiel pour concevoir des matériaux améliorés pour des applications futures. Une telle compréhension permet aux chercheurs d'éviter la main-d'œuvre, long, et des expériences d'essais et d'erreurs coûteuses qui sont autrement nécessaires pour explorer comment différents paramètres influencent les propriétés et les performances des nouveaux matériaux. Les relations structure-propriété sont difficiles à extraire de mélanges complexes où la présence d'autres composés inactifs masque la réponse analytique des molécules d'intérêt. La technique d'atterrissage en douceur des ions crée des matériaux de grande valeur tels que de minuscules particules de métal et d'oxyde métallique de taille et de composition exactes pour les études de catalyse hétérogène et de stockage d'énergie électrochimique (par exemple, supercondensateurs et batteries).

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory et de l'Université Purdue—Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, et Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran - ont été invités à préparer un article de synthèse basé sur leurs années d'expérience dans le développement de la technique d'atterrissage en douceur des ions pour les études sur le stockage d'énergie, synthèse de matériaux, et catalyse. L'équipe, positionné et déterminé à continuer à faire progresser la technique d'atterrissage en douceur des ions dans une approche unique pour la synthèse de matériaux, sélectionné le contenu de la revue après avoir lu des centaines d'articles de scientifiques et de collègues de laboratoires nationaux et d'universités du monde entier.

Leur article de synthèse dans Angewandte Chemie Édition Internationale —a Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker—a souligné les récents développements en matière d'atterrissage en douceur ambiant, qui permettent de reproduire certains avantages de l'atterrissage en douceur des ions dans le vide sur la paillasse du laboratoire à un coût et une complexité réduits.

Prabhakaran, un scientifique des matériaux au PNNL, a déclaré que l'équipe a découvert que "l'atterrissage en douceur basé sur le vide à haut flux combiné à la caractérisation électrochimique in situ constitue une approche polyvalente pour comprendre le rôle des différents composants actifs sur les performances des dispositifs de stockage d'énergie".

En outre, l'équipe a découvert que la technique peut fournir un aperçu de la façon dont les propriétés des ions moléculaires à des couvertures élevées peuvent être utilisées pour adapter la morphologie initiale et l'évolution structurelle des films en phase condensée.

« Nous avons utilisé l'atterrissage en douceur des ions à haut flux pour générer pour la première fois des couches fascinantes de type liquide sur des surfaces, " dit Warneke, un boursier postdoctoral Humboldt qui est venu d'Allemagne au PNNL spécifiquement pour poursuivre des recherches sur l'atterrissage en douceur des ions. Warneke a déclaré que "c'est un outil idéal pour étudier les propriétés émergentes des couches contenant un grand nombre d'amas et de molécules complexes, ce qui peut ouvrir de nouvelles perspectives dans les sciences de l'énergie et d'autres disciplines."

La prochaine étape de la recherche sur l'atterrissage en douceur des ions consiste à contrôler l'arrangement tridimensionnel des structures macroscopiques formées par le dépôt d'ions sélectionnés en masse. Cette avancée permettra d'adapter les propriétés des matériaux à base d'ions avec une précision encore plus fine.