Des chercheurs suisses ont réussi à faire croître des nanostructures en forme d'oursin à partir de minuscules boules de billes de polystyrène en utilisant un processus électrochimique simple. Les épines de l'oursin sont constituées de nanofils d'oxyde de zinc. La surface structurée devrait contribuer à augmenter l'efficacité des dispositifs photovoltaïques.

Les procédés qui confèrent aux matériaux de nouvelles caractéristiques sont généralement compliqués et donc souvent assez difficiles à reproduire. Ainsi, la surprise se transforme en étonnement lorsque les scientifiques présentent de nouvelles méthodes qui non seulement produisent des résultats exceptionnels malgré le fait qu'elles utilisent des matières premières à un prix économique, mais n'ont également pas besoin d'instruments coûteux.

Juste un simple cadre en polystyrène

C'est exactement ce qu'ont réussi à faire Jamil Elias et Laetitia Philippe du Laboratoire de mécanique des matériaux et nanostructures de l'Empa à Thoune. Ils ont utilisé des sphères de polystyrène comme une sorte d'échafaudage pour créer des nanostructures tridimensionnelles d'oxyde de zinc semi-conducteur sur divers substrats. Les deux scientifiques sont convaincus que les surfaces (nanostructurées) "rugueuses" mais régulièrement structurées qu'ils ont ainsi produites peuvent être exploitées dans une gamme de dispositifs électroniques et optoélectroniques tels que les cellules solaires ou encore les lasers à ondes courtes, diodes électroluminescentes et affichages à émission de champ.

Le monde scientifique a réagi rapidement. L'article dans lequel les résultats ont été rapportés a été publié en janvier 2010 dans l'édition en ligne de Matériaux avancés . Au cours du même mois, il est devenu l'article le plus fréquemment téléchargé, et en avril, il a été sélectionné pour figurer sur la couverture intérieure du journal.

Le principe derrière le processus est assez simple. Des petites sphères de polystyrène de quelques micromètres de diamètre sont posées sur une surface électriquement conductrice où elles s'orientent selon des motifs réguliers. Le polystyrène est bon marché et omniprésent - il est largement utilisé comme matériau d'emballage (par exemple pour les pots de yaourt en plastique) ou comme matériau isolant sous forme expansée sous forme de mousse solidifiée.

Corps creux avec aiguillons pour applications photovoltaïques

Les minuscules boules de polystyrène ainsi ancrées forment le gabarit sur lequel sont déposés les nanofils. Jamil Elias a réussi à utiliser une méthode électrochimique qu'il a lui-même développée pour faire varier la conductivité et les propriétés électrolytiques des billes de polystyrène de manière à ce que l'oxyde de zinc se dépose à la surface des microsphères. Au fil du temps, des nanofils réguliers se développent à partir de cette surface, et lorsque ce processus est terminé, le polystyrène est retiré, laissant derrière eux des structures sphériques creuses avec des épines - de petits oursins, comme c'était! Bien tassé sur le substrat sous-jacent, les oursins lui confèrent une structure tridimensionnelle, augmentant ainsi considérablement sa surface.

Cette surface nanostructurée est prédestinée à une utilisation dans des applications photovoltaïques. Les chercheurs s'attendent à ce qu'il ait d'excellentes propriétés de diffusion de la lumière. Cela signifie que la surface sera capable d'absorber beaucoup plus de lumière solaire et donc de convertir plus efficacement l'énergie rayonnée en électricité. Dans un projet soutenu par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN), Laetitia Philippe et son équipe de recherche développent des absorbeurs extrêmement minces (ETA) pour les cellules solaires, base de ces nanostructures d'oxyde de zinc.