Alors qu'un film sur des robots géants qui subissent des transformations structurelles bat des records au box-office cet été, une étude scientifique sur les transformations structurelles au sein de nanocristaux uniques ouvre de nouvelles voies pour la conception de nouveaux matériaux qui serviront aux batteries de stockage d'énergie de nouvelle génération et aux dispositifs de récupération d'énergie solaire. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont signalé la première observation directe de transformations structurelles au sein d'un seul nanocristal de sulfure de cuivre, un semi-conducteur qui devrait jouer un rôle important dans les futures technologies énergétiques.

En utilisant TEAM 0.5, l'un des microscopes électroniques à transmission les plus puissants au monde, un groupe de recherche dirigé par le directeur du Berkeley Lab, Paul Alivisatos, ont observé des fluctuations structurelles dans un nanocristal de sulfure de cuivre lors de sa transition entre les phases à l'état solide de faible et de haute chalcocite. Ces fluctuations sont très pertinentes pour comprendre des phénomènes tels que la façon dont les ions

le transport se produit à l'intérieur des électrodes lors de la charge et de la décharge des batteries, ou comment les structures d'un matériau solide pourraient changer à l'interface entre une électrode et un électrolyte.

"ÉQUIPE 0.5, avec ses systèmes d'optique électronique et d'enregistrement avancés, permet une imagerie rapide des échantillons avec une sensibilité à un seul atome dans le tableau périodique et une plus grande efficacité de collecte. Cela offre des opportunités extraordinaires pour étudier la dynamique de transformation structurelle in situ avec une résolution atomique, " dit Alivisatos.

"Dans cette étude, " il ajoute, « nous avons observé la dynamique de transformation structurelle dans une nanotige de sulfure de cuivre d'une structure de faible à haute chalcocite avec des détails sans précédent, et ont trouvé que cette dynamique était fortement influencée par des défauts dans le cristal de nanotige. Nos résultats suggèrent des stratégies pour supprimer ou aider de telles transformations qui devraient aider à la conception future de matériaux avec des phases nouvelles et contrôlées. »

Le concept populaire des transitions de phase est celui d'un matériau, en réponse aux changements de température, subissant une transformation d'un solide à un liquide ou à un gaz, c'est à dire., glace à eau à vapeur. Mais certains matériaux solides, surtout à l'échelle nanométrique, lorsqu'ils sont soumis à des changements de température, ils peuvent effectuer une transition entre deux phases différentes de leur structure cristalline. Sulfure de cuivre, par exemple, peut être transformé à partir d'une structure hexagonale complexe connue sous le nom de phase à faible teneur en chalcocite, à une structure hexagonale plus simple connue sous le nom de phase à haute teneur en chalcocite. Parce que de telles "transformations structurelles de premier ordre" peuvent altérer les propriétés d'un nanocristal, ils présentent un grand intérêt pour un large éventail de domaines scientifiques et ont des implications importantes pour de nombreuses technologies.

« Dans les systèmes nanométriques, la barrière énergétique à une transformation structurelle s'échelonne avec la taille des cristaux, " dit Alivisatos. " Lorsque la taille d'un nanocristal est dans un régime où l'énergie thermique est comparable à la barrière énergétique pour la transformation de phase, des fluctuations entre deux structures stables se produisent au point de transition, et sont pertinents pour de nombreux phénomènes moléculaires et à l'état solide proches de l'équilibre."

Alivisatos, le professeur Larry et Diane Bock de nanotechnologie à l'Université de Californie (UC) Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Science intitulé "Observation de la dynamique de transformation structurelle transitoire dans une nanotige Cu2S."

Les co-auteurs de cet article étaient Haimei Zheng, Jessy Rivest, Timothée Miller, Bryce Sadtler, Aaron Lindenberg, Michael Toney, Lin-Wang Wang et Christian Kisielowski.

"Pendant les transitions de phase du sulfure de cuivre entre la structure à faible chalcocite et à haute chalcocite, les ions soufre restent dans un cadre en treillis rigide tandis que les ions cuivre se déplacent à l'intérieur du treillis d'ions soufre, " dit Haimei Zheng, auteur principal et co-correspondant de l'article de Science.

"Nous avons observé où la phase nuclée à la surface de la nanotige et à l'intérieur du noyau et comment la transformation de phase se propage, " dit Zheng. "Nous avons également observé les effets des défauts. Par exemple, nous avons observé qu'un défaut d'empilement crée une barrière pour le mouvement des ions cuivre et bloque ainsi la propagation de phase. De telles observations nous fournissent de nouvelles informations importantes sur les voies atomiques des transformations structurelles de premier ordre. »

Selon la théorie des transitions de phase, un cristal solide fluctue entre deux structures d'équilibre près de la phase
point de transition avant d'atteindre une configuration stable, et que cette région de transition s'élargit en petits cristaux. Pour tester cette théorie, Zheng, Alivisatos et leurs co-auteurs ont zappé des nanotiges de sulfure de cuivre avec un faisceau d'électrons du microscope TEAM 0.5, puis ont observé et vu les fluctuations prédites.

"Avant les microscopes TEAM, de tels détails des fluctuations entre deux phases à l'état solide dans un nanocristal n'auraient pas pu être observés, ", dit Zheng. "Nos résultats devraient intéresser les théoriciens qui tentent de simuler des transformations structurelles dans les solides, car ni une étude sur les matériaux en vrac ni sur l'ensemble des nanomatériaux n'a la capacité de révéler de telles caractéristiques spécifiques des voies de transition de phase."

TEAM signifie Transmission Electron Aberration-corrected Microscope. TEAM 0.5 et son instrument frère TEAM 1.0 sont capables de produire des images avec une résolution d'un demi-angström - moins que le diamètre d'un seul atome d'hydrogène. Les deux microscopes sont hébergés au Berkley Lab du Centre national de microscopie électronique (NCEM) du DOE.

La prochaine étape pour elle, Zheng dit, sera d'aborder les questions concernant le transport des ions avec les changements de matériau de la batterie à l'interface électrode/électrolyte, et les changements structurels des catalyseurs à nanoparticules.

« De telles études partagent le même objectif de développer une compréhension microscopique des transformations structurelles des matériaux, en particulier ceux qui sont importants pour les applications énergétiques, " dit Zheng. " Microscopie électronique à transmission in situ, notamment nos récentes avancées techniques en imagerie dynamique à travers des liquides ou des gaz, ainsi qu'à la polarisation électrique appliquée, fournit un outil puissant pour de telles études.