Deutérium, une version plus lourde mais moins abondante de l'atome d'hydrogène, a de nombreuses applications pratiques. Malheureusement, produire du deutérium et l'utiliser pour protéger les semi-conducteurs à base de silicium nécessite beaucoup d'énergie et du gaz deutérium très coûteux. Maintenant, des scientifiques japonais ont découvert une réaction d'échange économe en énergie pour échanger des atomes d'hydrogène contre du deutérium à la surface du silicium nanocristallin. Leurs résultats ouvrent la voie à des appareils électroniques plus durables tout en réduisant les coûts et l'impact environnemental.

La découverte des isotopes au début du 20 ^e siècle a marqué un moment clé dans l'histoire de la physique et a conduit à une compréhension beaucoup plus fine du noyau atomique. Les isotopes sont des "versions" d'un élément donné du tableau périodique qui portent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, et donc varient en masse. Ces différences de masse peuvent altérer radicalement certaines propriétés physiques des atomes, tels que leurs taux de décroissance radioactive, leurs voies réactionnelles possibles dans les réacteurs à fission nucléaire, et beaucoup plus.

Alors que la plupart des isotopes d'un élément partagent des propriétés chimiques similaires, il y a une exception notable :les isotopes de l'hydrogène. La plupart des atomes d'hydrogène sur Terre ne contiennent qu'un proton et un électron, mais il existe des isotopes de l'hydrogène qui possèdent aussi un neutron (deutérium) ou deux neutrons (tritium). Deutérium, qui pèse essentiellement deux fois plus que l'hydrogène "normal", a trouvé de nombreuses utilisations pratiques et scientifiques. Par exemple, il peut être utilisé pour marquer et suivre des molécules telles que des protéines pour étudier les processus biochimiques. Il peut également être utilisé de manière stratégique dans les médicaments pour réduire leur taux métabolique et augmenter leur demi-vie dans le corps.

Une autre application importante du deutérium existe dans le domaine de l'électronique des semi-conducteurs. La surface des semi-conducteurs à base de silicium doit être «passivée» avec de l'hydrogène pour garantir que les atomes de silicium ne se détachent (désorbent) facilement, augmentant ainsi la durabilité des puces électroniques, piles, et des cellules solaires. Cependant, par des mécanismes encore mal compris, la passivation au deutérium au lieu de l'hydrogène entraîne des probabilités de désorption environ cent fois plus faibles, ce qui implique que le deutérium pourrait bientôt devenir un ingrédient indispensable dans les appareils électroniques. Malheureusement, à la fois l'approvisionnement en deutérium et les techniques disponibles pour enrichir les surfaces de silicium avec celui-ci sont très inefficaces sur le plan énergétique ou nécessitent du deutérium gazeux très coûteux.

Heureusement, à l'Université de la ville de Nagoya (NCU), Japon, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Takahiro Matsumoto a trouvé une stratégie économe en énergie pour enrichir les surfaces de silicium à l'aide d'une solution diluée de deutérium. Cette étude, qui a été publié dans Documents d'examen physique , a été réalisée en collaboration avec le Dr Takashi Ohhara de l'Agence japonaise de l'énergie atomique et le Dr Yoshihiko Kanemitsu de l'Université de Kyoto.

Les chercheurs ont découvert qu'une réaction d'échange particulière de l'hydrogène au deutérium peut se produire à la surface du silicium nanocristallin (n-Si). Ils ont démontré cette réaction dans des films minces de n-Si immergés dans une solution contenant du deutérium en utilisant la diffusion inélastique des neutrons. Cette technique de spectroscopie consiste à irradier des neutrons sur un échantillon et à analyser les mouvements atomiques ou les vibrations cristallines qui en résultent. Ces expériences, couplé à d'autres méthodes de spectroscopie et de calculs énergétiques basés sur la mécanique quantique, ont révélé les mécanismes sous-jacents qui favorisent le remplacement des terminaisons hydrogène à la surface du n-Si par du deutérium :Le processus d'échange est étroitement lié aux différences de modes vibrationnels de surface entre le n-Si à terminaison hydrogène et deutérium. "Nous avons quadruplé la concentration des atomes de deutérium de surface sur le n-Si dans nos expériences réalisées en phase liquide, " souligne le Dr Matsumoto, "Nous avons également proposé un protocole d'enrichissement en phase gazeuse pour le n-Si qui, d'après nos calculs théoriques, pourrait multiplier par 15 le taux d'enrichissement en deutérium."

Cette stratégie innovante d'exploitation des effets quantiques à la surface du n-Si pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes pour se procurer et utiliser le deutérium. « La réaction efficace d'échange d'hydrogène en deutérium que nous avons signalée peut conduire à une économiquement faisable, et des protocoles d'enrichissement en deutérium respectueux de l'environnement, conduisant à une technologie des semi-conducteurs plus durable, " conclut le Dr Matsumoto.

L'équipe de la NCU a également déclaré qu'« il a été théoriquement prédit que plus l'hydrogène est lourd, plus l'efficacité de la réaction d'échange est élevée. Ainsi, on peut s'attendre à un enrichissement plus efficace des atomes de tritium sur n-Si, ce qui conduit à la possibilité de purifier l'eau contaminée au tritium. Nous pensons qu'il s'agit d'un problème qui doit être résolu de toute urgence."

Espérons que les résultats de ces travaux nous permettront de profiter davantage des isotopes plus lourds de l'hydrogène sans nuire à notre planète.