Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich joue avec des blocs de construction à l'échelle nanométrique qui sont jusqu'à 100 fois plus gros que les atomes et les ions. Et bien que ces nano « briques Lego » interagissent les unes avec les autres avec des forces très différentes et beaucoup plus faibles que celles qui maintiennent les atomes et les ions ensemble, ils forment des cristaux tout seuls, dont les structures ressemblent à celles des minéraux naturels. Ces nouveaux méga-cristaux ou super-réseaux qui sont représentés sur la couverture du dernier numéro de La nature présentent des propriétés uniques telles que la superfluorescence et pourraient bien inaugurer une nouvelle ère dans la science des matériaux.

Pour vraiment apprécier ce qu'une équipe de chercheurs dirigée par Maksym Kovalenko et Maryna Bodnarchuk a réalisé, il est préférable de commencer par quelque chose de banal :les cristaux de sel de table (également connus sous le nom de sel gemme) sont familiers à quiconque a déjà eu à pimenter un déjeuner ouvertement fade. Le chlorure de sodium—NaCl en termes chimiques—est le nom du produit chimique utile; il se compose d'ions sodium chargés positivement (Na+) et d'ions chlorure chargés négativement (Cl-). Vous pouvez imaginer les ions comme des billes qui s'attirent fortement les unes les autres pour former des cristaux rigides et denses comme ceux que l'on peut voir dans une salière.

De nombreux minéraux naturels sont constitués d'ions - ions métalliques positifs et ions négatifs, qui s'organisent en différentes structures cristallines en fonction de leurs tailles relatives. En outre, il existe des structures telles que le diamant et le silicium :ces cristaux sont constitués d'un seul type d'atomes - le carbone dans le cas du diamant -, mais, semblable aux minéraux, les atomes sont également maintenus ensemble par de fortes forces de liaison.

De nouveaux blocs de construction pour un nouveau type de matière

Et si toutes ces fortes forces de liaison entre les atomes pouvaient être éliminées ? Dans le domaine des atomes, avec toute la mécanique quantique en jeu, cela ne donnerait pas une molécule ou une matière à l'état solide, au moins aux conditions ambiantes. "Mais la chimie moderne peut produire des blocs de construction alternatifs qui peuvent en effet avoir des interactions très différentes de celles entre les atomes, " dit Maksym Kovalenko, Chercheur Empa et professeur de chimie à l'ETH Zurich. "Ils peuvent être aussi durs que des boules de billard dans le sens où ils ne se sentent que lorsqu'ils entrent en collision. Ou ils peuvent être plus doux sur les surfaces, comme des balles de tennis. De plus, ils peuvent être construits dans de nombreuses formes différentes :pas seulement des sphères, mais aussi des cubes ou autres polyèdres, ou plusieurs entités anisotropes."

Ces blocs de construction sont constitués de centaines ou de milliers d'atomes et sont connus sous le nom de nanocristaux inorganiques. L'équipe de chimistes de Kovalenko à l'Empa et à l'ETH est capable de les synthétiser en grandes quantités avec un degré élevé d'uniformité. Kovalenko et Bodnarchuk, et certains de leurs collègues du monde entier, travaillent depuis environ 20 ans maintenant avec ce genre de blocs de construction. Les scientifiques les appellent « matériaux Lego » car ils forment des réseaux denses ordonnés à longue portée appelés super-réseaux.

On a longtemps supposé que le mélange de différents types de nanocristaux permettrait l'ingénierie de structures supramoléculaires complètement nouvelles. L'électronique, les propriétés optiques ou magnétiques de ces assemblages à plusieurs composants devraient être un mélange des propriétés des composants individuels. Dans les premières années, le travail avait porté sur le mélange de sphères de tailles différentes, résultant en des dizaines de différents super-réseaux avec des structures de remplissage qui imitent les structures cristallines communes, comme le sel de table, mais avec des cellules cristallines dix à cent fois plus grandes.

Avec leur dernier article dans La nature , l'équipe dirigée par Kovalenko et Bodnarchuk a maintenant réussi à élargir considérablement les connaissances :ils ont commencé à étudier un mélange de différentes formes, des sphères et des cubes pour commencer. Cette déviation apparemment simple du courant dominant a immédiatement conduit à des observations très différentes. De plus, les cubes choisis, à savoir des nanocristaux colloïdaux de pérovskite aux halogénures de plomb et de césium, sont connus comme certains des émetteurs de lumière les plus brillants développés à ce jour, depuis leur invention par la même équipe il y a six ans. Les super-réseaux obtenus par les chercheurs ne sont pas seulement particuliers en ce qui concerne leur structure, mais aussi en ce qui concerne certaines de leurs propriétés. En particulier, ils présentent une superfluorescence, c'est-à-dire la lumière est irradiée de manière collective et beaucoup plus rapide que les mêmes nanocristaux peuvent l'accomplir dans leur état conventionnel, noyé dans un liquide ou une poudre.

L'entropie comme force de commande ?

Après avoir mélangé les sphères et les cubes, des choses merveilleuses se produisent :les nanocristaux s'arrangent pour former des structures familières du monde des minéraux tels que les pérovskites ou le sel gemme. Toutes ces structures, cependant, sont 100 fois plus gros que leurs homologues dans les cristaux conventionnels. De plus, une structure de type pérovskite n'avait jamais été observée auparavant dans l'assemblage de tels nanocristaux sans interaction.

Particulièrement curieux :ces structures hautement ordonnées sont créées uniquement par la force de l'entropie, c'est-à-dire l'effort perpétuel de la nature pour provoquer un maximum de désordre. Quelle parfaite blague de la nature ! Ce montage paradoxal se produit parce que, lors de la formation des cristaux, les particules ont tendance à utiliser l'espace autour d'elles le plus efficacement possible afin de maximiser leur liberté de mouvement pendant les dernières étapes de l'évaporation du solvant, c'est-à-dire avant qu'ils ne soient "gelés" dans leurs éventuelles positions de réseau cristallin. À cet égard, la forme des nanocristaux individuels joue un rôle crucial - les cubes de pérovskite souple permettent un emballage beaucoup plus dense que ce qui est possible dans les mélanges tout sphériques. Ainsi, la force de l'entropie fait que les nanocristaux s'arrangent toujours dans l'emballage le plus dense possible - tant qu'ils sont conçus de telle sorte qu'ils ne s'attirent ou ne se repoussent pas par d'autres moyens, comme l'électrostatique.

L'aube d'une nouvelle science

« Nous avons vu que nous pouvons réaliser de nouvelles structures avec une grande fiabilité, " dit Maksym Kovalenko. " Et cela soulève maintenant beaucoup plus de questions; nous en sommes encore au tout début :quelles propriétés physiques présentent de tels super-réseaux faiblement liés et quelle est la relation structure-propriété ? Peuvent-ils être utilisés pour certaines applications techniques, dire, en informatique quantique optique ou en imagerie quantique ? Selon quelles lois mathématiques se forment-ils ? Sont-ils vraiment thermodynamiquement stables ou seulement piégés cinétiquement ?" Kovalenko est maintenant à la recherche de théoriciens qui pourraient être en mesure de prédire ce qui pourrait encore arriver.

"Nous finirons par découvrir de toutes nouvelles classes de cristaux, " spécule-t-il, "les uns, pour lesquels il n'existe pas de modèles naturels. Il faudra alors les mesurer, classés et décrits." Ayant écrit le premier chapitre du manuel d'un nouveau type de chimie, Kovalenko est plus que prêt à livrer sa part pour que cela se produise le plus rapidement possible. « Nous expérimentons maintenant avec des nanocristallites en forme de disque et de cylindre. Et nous sommes très heureux de voir les nouvelles structures qu'ils permettent, " il dit.