(Phys.org) - Trois professeurs de chimie de l'Université de Chicago espèrent que leurs trajectoires de recherche distinctes convergeront pour créer une nouvelle façon d'assembler ce qu'ils appellent des « atomes de conception » en matériaux dotés d'un large éventail de propriétés et de fonctions potentiellement utiles.

Ces « atomes de conception » seraient des nanocristaux, des réseaux cristallins d'atomes destinés à être manipulés de manière à aller au-delà des utilisations standard des atomes dans le tableau périodique. De tels panneaux seraient adaptés pour relever les défis de l'énergie solaire, l'informatique quantique et les matériaux fonctionnels.

Les partenaires du projet sont le Prof. David Mazziotti, et les professeurs agrégés Greg Engel et Dmitri Talapin. Tous les trois ont réalisé des progrès clés qui sont essentiels pour faire avancer le projet. Maintenant, avec 1 million de dollars de financement de la Fondation W. M. Keck, ils peuvent s'appuyer sur leurs avancées séparées de manière concertée vers un nouvel objectif.

« Si vous regardez l'histoire de la science, un développement majeur commence avec des personnes d'horizons différents qui se parlent et apprennent les unes des autres et font quelque chose de vraiment révolutionnaire plutôt qu'incrémental, " a déclaré Talapin.

Les développements du laboratoire de Talapin sont au cœur du projet. Un chimiste inorganique synthétique, il se spécialise dans la création de nanocristaux conçus avec précision avec des caractéristiques bien définies.

Les nanocristaux sont constitués de centaines ou de milliers d'atomes. C'est assez petit pour que de nouveaux phénomènes quantiques commencent à émerger, mais suffisamment grand pour fournir des « modules » pratiques pour la conception de nouveaux matériaux. "C'est une combinaison intéressante dans la mesure où vous construisez des matériaux non à partir d'atomes individuels, mais des unités qui ressemblent à des atomes à bien des égards mais se comportent aussi comme un métal, semi-conducteur ou aimant. C'est un peu fou, " a déclaré Talapin.

Le potentiel des nouvelles dispositions peut dépasser celui des éléments existants. Les chimistes ne peuvent pas régler les propriétés de l'hydrogène ou de l'hélium, par exemple, mais ils peuvent régler les propriétés des nanocristaux.

"Vous construisez la chimie à partir d'atomes, et la mécanique quantique fournit des principes pour le faire, " dit Mazziotti, se référant aux lois de la physique qui dominent le monde à des échelles ultra-petites. "De la même manière, nous envisageons d'énormes opportunités en termes de prise de réseaux nanocristallins et de nanocristaux comme éléments constitutifs de nouvelles structures où nous les assemblons en systèmes fortement corrélés. »

Blocs de construction nanocristallins

L'essence d'une forte corrélation, des liaisons chimiques, de la chimie en général, sont les connexions entre les particules et la façon dont les propriétés de ces particules changent lorsqu'elles se lient les unes aux autres, Engel a noté. "Il s'agit de nouvelles propriétés émergentes issues d'un fort mélange entre les états électroniques des particules, de la même manière que deux atomes se réunissent pour former une molécule, " il a dit.

L'hydrogène et l'oxygène ont des propriétés très différentes. Pourtant, lorsque deux atomes d'hydrogène partagent des électrons avec un atome d'oxygène, ils forment de l'eau. L'ambition du trio UChicago est d'étendre ce cadre du niveau des atomes individuels au niveau des petits, objets fonctionnels, tels que le métal ou les semi-conducteurs magnétiques.

La clé de leur projet est de contrôler le degré de corrélation entre les électrons sur différents nanocristaux. En 2009, Talapin et ses collaborateurs ont développé un moyen de contrôler les mouvements des électrons lorsqu'ils se déplacent d'un nanocristal à l'autre. Leur "colle électronique" permet aux nanocristaux semi-conducteurs de transférer efficacement leurs charges électriques entre eux, une étape importante dans la synthèse de nouveaux matériaux.

"Cette colle est fournie par un réglage spécial du comportement des électrons, " a déclaré Mazziotti. " Vous voulez que les mouvements des électrons soient corrélés d'une manière spéciale pour permettre le transfert efficace de cette énergie d'un nanocristal à l'autre. "

Parvenir à un meilleur contrôle des électrons corrélés – ceux dont les mouvements sont liés les uns aux autres – sur différents nanocristaux est la clé du succès du projet Keck.

« Si nous pouvons améliorer cela, alors nous pouvons essentiellement développer toute une palette de nouveaux matériaux qui dérivent essentiellement de l'utilisation des nanocristaux comme blocs de construction et d'une forte corrélation comme moyen de réglage, essentiellement, le degré auquel ou comment ils se parlent, " a déclaré Mazziotti. "Nous voulons un transfert d'énergie et d'informations vraiment efficace entre les différentes unités. Auparavant dans le domaine des réseaux nanocristallins, les nanocristaux ne communiquaient entre eux que très faiblement."

Développer une nouvelle palette

Mazziotti et Engel apportent des avancées théoriques et spectroscopiques, respectivement, à la collaboration. L'avancée de Mazziotti offre une alternative aux approches traditionnelles de calcul des électrons fortement corrélés dans les molécules, qui évolue de façon exponentielle avec le nombre d'électrons. Il a résolu un problème de longue date qui permet des calculs en utilisant seulement deux des électrons d'une molécule, ce qui diminue considérablement le coût de calcul.

Ses études sur la bioluminescence des lucioles et d'autres phénomènes ont montré qu'à mesure que les systèmes moléculaires grossissent, les fortes corrélations entre les électrons deviennent plus puissantes et ouvrent de nouvelles possibilités de comportement émergent. Dans le cadre d'un matériau semi-conducteur tel que le silicium, le comportement émergent est la façon dont les nanoparticules individuelles perdent effectivement leur identité, donnant lieu à des propriétés collectives dans les nouveaux matériaux.

"Au fur et à mesure que la taille d'un système moléculaire augmente, on voit l'émergence de nouveaux comportements physiques et l'importance d'une forte corrélation des électrons, " Mazziotti a déclaré. " L'importance d'une forte corrélation augmente considérablement avec la taille du système. "

L'avancée du groupe de recherche d'Engel a été le développement d'une technique appelée spectroscopie GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE), qui emprunte des idées à l'imagerie par résonance magnétique mais est utilisé pour la spectroscopie plutôt que pour l'imagerie médicale. Engel a déjà utilisé GRAPE pour observer le mouvement et le couplage corrélés entre les chromophores, qui sont des molécules absorbant la lumière. Il va maintenant appliquer la technique aux nanocristaux.

"Cette, pour la première fois, nous permettra de vraiment voir la nature directe du couplage électronique qui est au cœur de cette idée de nouveaux concepts de liaison dans les atomes concepteurs, ", a déclaré Engel. "Nous serons en mesure de fournir les preuves expérimentales qui combineront la théorie développée par David avec les nouvelles structures que Dmitri est en train de construire."