Des chercheurs des universités de Jyvaskyla (Finlande) et de Xiamen (Chine) ont découvert une nouvelle façon de fabriquer des matériaux cristallins macroscopiques fonctionnels à partir d'amas intermétalliques argent-or de 34 atomes de taille nanométrique. Le matériau de cluster a une conductivité électrique hautement anisotrope, étant un semi-conducteur dans une direction et un isolant électrique dans d'autres directions. La synthèse du matériau et ses propriétés électriques ont été étudiées à Xiamen et la caractérisation théorique du matériau a été réalisée à Jyvaskyla. La recherche a été publiée en ligne dans Communication Nature le 6 mai, 2020.

Les amas métalliques ont été synthétisés par chimie humide, ajouter des sels d'or et d'argent et des molécules d'éthynyladamantane dans un mélange de méthanol et de chloroforme ou de dichlorométhane. Toutes les synthèses ont produit les mêmes amas argent-or de 34 atomes avec une structure atomique identique, mais étonnamment, l'utilisation d'un solvant dichlorométhane/méthanol a initié une réaction de polymérisation après la formation d'agrégats en solution et la croissance de monocristaux épais de cheveux humains constitués de chaînes polymères alignées des agrégats.

Les cristaux se sont comportés comme un matériau semi-conducteur dans le sens du polymère et comme un isolant électrique dans le sens travers. Ce comportement résulte de la liaison atomique métal-métal dans le sens polymère tandis que dans le sens travers, les amas métalliques sont isolés les uns des autres par une couche d'éthynyladamantane.

La modélisation théorique du matériau de l'amas par des simulations intensives en informatique utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité a prédit que le matériau a un écart énergétique de 1,3 eV pour les excitations électroniques. Cela a été confirmé par des mesures d'absorption optique et de conductivité électrique dans une configuration où nous avons monté des monocristaux dans le cadre d'un transistor à effet de champ, qui a montré une propriété semi-conductrice de type p du matériau. La conductivité électrique le long de la direction du polymère était d'environ 1800 fois par rapport aux directions transversales.

"Nous avons été assez surpris par l'observation que la formation de polymère peut être contrôlée par des moyens simples de changer les molécules de solvant. Nous avons découvert cela probablement par chance, mais nous espérons que ce résultat pourra être appliqué à l'avenir pour concevoir des matériaux nanostructurés hiérarchiques avec la fonctionnalité souhaitée, " dit le professeur Nanfeng Zheng de l'Université de Xiamen, qui a dirigé le travail expérimental.

"Ce travail montre un exemple intéressant sur la façon dont les propriétés macroscopiques des matériaux peuvent être conçues dans la synthèse ascendante des nanomatériaux. La modélisation théorique de ce matériau était assez difficile en raison d'un modèle à grande échelle que nous avons dû construire pour tenir compte de la périodicité correcte de le cristal de polymère. A cet effet, nous avons beaucoup profité d'avoir accès à certains des plus gros supercalculateurs d'Europe, " dit le professeur de l'Académie Hannu Hakkinen de l'Université de Jyvaskyla, qui a dirigé les travaux théoriques.