Les scientifiques ont découvert une nouvelle méthode pour réunir des milliers de molécules organiques en un film plat et lisse de quelques nanomètres d'épaisseur seulement, montré ici dans cette illustration. Crédit :Baorui Cheng
Le premier téléphone portable, sorti en 1983, avait la taille d'une brique et pesait deux livres et demie. La toute dernière Apple Watch, sorti cet automne, pèse 1,1 once.
Ce genre de sauts technologiques a été rendu possible en trouvant des façons nouvelles et inventives de combiner les matériaux, qui peut regrouper plus d'informations et de circuits dans des packages de plus en plus petits.
Dans un premier, scientifiques de l'Université de Chicago, en collaboration avec des chercheurs de l'Université Cornell et du Laboratoire national d'Argonne, ont découvert un facile, moyen efficace de faire croître des films extrêmement minces de matériaux organiques. Les résultats, publié le 7 novembre dans Science , pourrait être un tremplin vers l'électronique ou les technologies futures dotées de nouvelles capacités.
Les scientifiques savent depuis longtemps comment fabriquer des couches extrêmement minces, jusqu'à quelques atomes d'épaisseur, à partir de matériaux inorganiques. C'est ainsi que la taille des téléphones portables a diminué et que des panneaux solaires ont poussé sur les toits du monde entier. Mais dupliquer ce processus de fabrication avec des matériaux organiques (au sens chimique, C'est, quelque chose contenant du carbone) a été délicate.
"Si vous pouvez transformer des matériaux en couches atomiquement minces, vous pouvez les empiler en séquences et obtenir de nouvelles fonctions, et il y a de bonnes raisons de penser que les films organiques pourraient être vraiment utiles, " dit Yu Zhong, chercheur postdoctoral et co-premier auteur de l'article. "Mais jusqu'à présent, il était très difficile de contrôler l'épaisseur du film, et de les fabriquer en grande quantité."
Heureusement, Jiwoong Park, professeur de chimie et d'ingénierie moléculaire, est un expert dans l'innovation de nouvelles façons de fabriquer des films ultra-minces, qu'il s'agisse de coudre des feuilles cristallines ou d'empiler des films comme les Post-Its.
Dans ce cas, l'équipe s'est inspirée de la séparation tenace qui se produit lorsque vous mélangez deux liquides qui ne se mélangent pas, comme l'huile et l'eau. En substance, ils ont utilisé la ligne qui se forme entre eux comme un moule pour créer une fine couche parfaite, film plat.
Ils remplissent à moitié un réacteur de liquide A, puis ajoutez le liquide B. À la ligne où les deux se rencontrent, ils utilisent un petit tube pour injecter le reste des ingrédients, qui s'assemblent en un film. Ensuite, les scientifiques évaporent ou drainent les liquides, et le film glisse doucement vers le bas pour rester intact.
Une photo au microscope électronique à effet tunnel montre les couches minces, chacun de quelques nanomètres d'épaisseur. Pour l'échelle, vos ongles poussent à environ un nanomètre par seconde. Crédit :Ariana Ray
"Si vous y pensez comme un tissu, à ce jour, les gens n'ont pu faire que des patchs - et ce sont de gigantesques rouleaux de tissu, " dit Park.
Notamment, le film grandit en un mouvement continu, il n'y a donc pas de joints gênants entre les patchs. En outre, il peut être effectué à température ambiante, une procédure beaucoup plus efficace que les températures extrêmement élevées habituellement nécessaires pour fabriquer des films inorganiques.
La méthode fournit également un moyen innovant de combiner des couches organiques et inorganiques. "Les matériaux inorganiques et organiques ont des forces et des faiblesses différentes qui pourraient se compléter, mais les conditions pour les cultiver sont si différentes que ça a été un défi de les faire s'entendre, " a déclaré l'étudiant diplômé Baouri Cheng, l'autre co-premier auteur de l'article.
Dans cette méthode, bien que, "mettre un substrat inorganique sur le sol du réacteur, et maintenant tu as un beau sandwich, " dit Park.
Ils ont testé le fonctionnement des films en tant que condensateurs électriques, et a trouvé de bonnes performances, un signe encourageant pour l'électronique.
Mais l'équipe a bien d'autres idées :des nanorobots, un tissu qui se plie ou se redresse lorsqu'il est exposé à l'eau ou à la lumière, membranes pour filtrer l'eau ou booster les batteries, des capteurs qui détectent les toxines, et même des bits pour les ordinateurs quantiques du futur.
"C'est vraiment une démonstration d'une plate-forme générale pour intégrer des polymères, " a déclaré Zhong. " Nous pouvons voir une multitude d'utilisations et d'opportunités, et nous enquêtons déjà sur certains d'entre eux."
Chercheurs postdoctoraux UChicago Chibeom Park, Andrew Mannix, Jae-Ung Lee, Joonki Suh et Kibum Kang et les étudiants diplômés Fauzia Mujid, Sarah Brown et Kan-Heng Lee étaient également co-auteurs de l'étude, ainsi que Steven Sibener, le professeur de chimie Carl William Eisendrath Distinguished Service à UChicago; le professeur David Muller et l'étudiante diplômée Ariana Ray à l'Université Cornell; et Hua Zhou, scientifique du Laboratoire national d'Argonne.
L'équipe a utilisé l'installation de nanofabrication Pritzker de l'Université de Chicago et le centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux, ainsi que la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne. Park travaille actuellement avec le Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation de l'Université de Chicago pour faire avancer la découverte.
