Recherche publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences décrit un nouveau type de liquide en couches minces, qui forme un verre à haute densité. Les résultats générés dans cette étude, menée par des chercheurs du département de chimie de Penn, démontrer comment ces verres et autres matériaux similaires peuvent être fabriqués pour être plus denses et plus stables, fournir un cadre pour le développement de nouvelles applications et de nouveaux appareils grâce à une meilleure conception.

Le verre est généralement créé par solidification, ou en déséquilibre, d'un liquide lorsqu'il est refroidi à une température où son mouvement s'arrête. La structure d'un verre ressemble beaucoup à la phase liquide, mais ses propriétés sont similaires aux solides, semblable à un cristal.

Des lunettes ultrafines, Les films à l'échelle nanométrique sont largement utilisés dans des applications telles que les écrans OLED et les fibres optiques. Mais lorsque ces types de verres sont transformés en films minces, même à basse température, ils se comportent plutôt comme un liquide, et le matériau résultant peut être sujet à la formation de gouttelettes ou à la cristallisation, ce qui limite la taille des plus petites caractéristiques possibles.

Pour faire de meilleurs verres, les chercheurs ont utilisé le dépôt en phase vapeur au lieu de refroidir un liquide pour produire un verre. Dans le dépôt en phase vapeur, un matériau est transformé directement d'un gaz en un solide. Bien que cette méthode ait permis aux chercheurs de créer des types de verres en vrac plus denses, on pensait initialement que les films de verre minces fabriqués à l'aide de cette méthode auraient toujours les mêmes propriétés de type liquide qui conduiraient à la dégradation et à l'instabilité.

Mais Yi Jin, un doctorat récent. diplômé qui a travaillé dans le laboratoire de Zahra Fakhraai, ont mené des expériences et ont constaté que ce n'était pas réellement le cas. "Yi n'arrêtait pas de découvrir différentes propriétés, aucune des données n'avait de sens, et nous avons donc creusé plus profondément jusqu'à ce que nous ayons suffisamment de données pour assembler une image, " dit Fakhraai.

Jin a passé plusieurs années à mener des expériences détaillées, de changer le substrat de verre, Propriétés, et les taux de dépôt pour s'assurer que tout leur équipement a été soigneusement nettoyé pour exclure toute contamination ou erreur expérimentale.

Après avoir exécuté toutes les expériences de contrôle nécessaires, les chercheurs ont été surpris de constater qu'en utilisant le dépôt en phase vapeur, ils pourraient accéder à un autre type de liquide, avec une transition de phase vers le liquide en vrac typique lors du chauffage. Une transition de phase se produit lorsqu'un matériau passe d'un état (gaz, liquide, ou solide) dans un autre. "Les deux liquides ont des structures distinctes, semblable au graphène et au diamant qui sont tous deux des solides en carbone mais qui existent sous des formes solides très différentes."

"Il y a beaucoup de propriétés intéressantes qui sont sorties de nulle part, et personne n'avait pensé que dans des films minces, vous pourriez voir ces phases, " dit Fakhraai. " C'est un nouveau type de matériau. "

En utilisant le dépôt en phase vapeur, les chercheurs peuvent créer des verres à couche mince très denses, correspondant au tassement de cette nouvelle phase liquide, avec une densité beaucoup plus élevée que prévu sans appliquer d'immenses quantités de pression. Les films minces de ces verres peuvent avoir des valeurs de densité encore plus élevées que le cristal.

Pour confirmer ce qu'ils voyaient, les chercheurs ont également obtenu des informations structurelles détaillées montrant comment les molécules individuelles sont emballées à l'aide de l'équipement du laboratoire national de Brookhaven. Cette analyse a aidé les chercheurs à confirmer que ce qu'ils voyaient n'était pas simplement un cristal, mais plutôt une phase entièrement nouvelle dans le verre.

Une autre hypothèse basée sur les données qu'ils ont collectées jusqu'à présent est que la possibilité d'accéder à cette phase unique est due à la géométrie du verre, ce qui signifie que ce travail pourrait également avoir des implications pour d'autres types de matériaux. "Nous développons des matériaux qui essaient de descendre en termes d'échelle, " dit Jin à propos de son travail actuel dans l'industrie de la science des matériaux. " D'après ce que nous voyons dans les lunettes, il pourrait aussi y avoir des phénomènes intéressants qui émergent d'autres matériaux, comme les matériaux métalliques couramment utilisés dans les semi-conducteurs, par exemple."

Les chercheurs du laboratoire de Fakhraai travaillent déjà sur des expériences de suivi pour en savoir plus sur les paramètres cruciaux qui conduisent à cette transition de phase unique. Cela comprend l'étude des films pendant le processus de dépôt et le « zoom avant » sur la région de transition de phase pour en savoir plus sur ce phénomène nouvellement découvert. Ce travail est également crucial pour mieux comprendre le verre dans son ensemble, dit Fakhraai, où il reste une déconnexion entre les théories qui pourraient fournir une plate-forme prédictive pour le développement de nouveaux matériaux dans les applications et les nouvelles technologies.

"Pour conditionner les vaccins Moderna ou Pfizer, vous avez besoin d'un verre qui puisse descendre très bas en température et ne pas se briser, et le fait que cette technologie existe est un cri à quel point nous pouvons concevoir la mécanique du verre en vrac, " dit-elle. " Notre espoir est que cette compréhension fondamentale motive davantage d'applications et une meilleure capacité à concevoir des verres à couche mince avec des propriétés améliorées de la même manière. Si les relations structure-propriété sont comprises dans les couches minces, nous pouvons faire mieux par conception."