(Phys.org) —Deux chercheurs diplômés de la School of Engineering ont développé certaines des plus petites nanotiges métalliques au monde; une percée scientifique importante qui, selon leur conseiller pédagogique, témoigne des solides programmes d'études supérieures d'UConn.

Travaillant sous la direction du professeur Hanchen Huang, chercheur postdoctoral Xiaobin Niu et Ph.D. Le candidat Stephen Stagon a innové en développant le cadre théorique de la croissance de nanotiges métalliques à l'aide d'un processus connu sous le nom de dépôt physique en phase vapeur.

Les chercheurs ont ensuite utilisé ces connaissances pour développer avec succès des nanotiges de métal noble de 10 nanomètres de diamètre, qui sont les plus petites jamais enregistrées en utilisant le dépôt physique en phase vapeur. Les résultats ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique , la revue de physique la plus importante au monde.

"Cela ouvre vraiment la porte à une multitude de technologies, " dit Huang, Professeur du Connecticut Clean Energy Fund de l'UConn en énergie durable et auteur principal de l'étude. « Sans le cadre théorique, nous n'aurions pas pu fabriquer ces petites nanotiges parce que nous n'avions aucune orientation scientifique. Ces connaissances devraient avoir un impact technologique majeur en électronique, énergie, et de fabrication."

Les nanotiges en métaux nobles – des nanotiges fabriquées à partir de métaux résistants à la corrosion et à l'oxydation – peuvent être utilisées en microélectronique, tout alimenter, des cellules solaires aux téléphones portables. Précédemment, le diamètre minimum des nanotiges métalliques était théoriquement inconnu, il n'y avait donc pas de cible claire pour les expériences et aucune idée sur la façon d'approcher la cible. Alors que certains chercheurs ont fait pousser des nanotiges métalliques de moins de 50 nanomètres de diamètre, leur succès reposait en grande partie sur le hasard, observation, et des preuves anecdotiques. Il y avait des problèmes pour dupliquer de manière fiable le processus pour différents matériaux, et les tiges ont souvent fusionné et sont devenues un film lorsque leurs diamètres ont diminué de près de 10 nanomètres.

Le développement d'une théorie de forme fermée pour la croissance des nanotiges métalliques est l'aboutissement de 10 années de travail pour Huang, qui a été continuellement soutenu par des subventions de recherche du programme de base de l'Office of Basic Energy Sciences du département de l'Énergie des États-Unis. Les subventions renouvelables sont conçues pour soutenir la recherche fondamentale qui aide les scientifiques à mieux comprendre, prédire, et finalement contrôler la matière et l'énergie au niveau électronique, atomique, et les niveaux moléculaires.

Niu a passé plus d'un an à déterminer les propriétés scientifiques de la croissance des nanotiges grâce à la formulation mathématique et à la modélisation informatique, superposer soigneusement des atomes sur des atomes pour voir quel processus fonctionnait le mieux. Stagon, pendant ce temps, mené des expériences de validation d'accompagnement à l'UConn, ainsi qu'au Centre de nanotechnologies intégrées du Laboratoire national de Los Alamos.

Un moment clé est venu lorsque l'équipe a découvert qu'une théorie classique de longue date pour la croissance des nanotiges était erronée. La théorie soutenait que seules les marches de surface à couche unique étaient stables, et les marches de surface à plusieurs couches n'étaient pas, conduisant à l'impossibilité d'une croissance de nanotiges extrêmement petite dans la théorie précédente. Mais Huang, Niu, et Stagon a trouvé juste le contraire, que les marches de surface multicouches sont cinétiquement stables, et ils dictent comment les couches suivantes d'adatomes se positionnent - un développement clé pour produire des nanotiges en métal noble de 10 nanomètres de diamètre ou moins.

En modifiant d'autres conditions de croissance telles que le type de substrat, l'angle de dépôt, et la température utilisée dans le processus, l'équipe de recherche a réussi à faire pousser des nanotiges d'environ 10 nanomètres de diamètre et clairement séparées les unes des autres, un autre trait important qui aide à permettre leur performance.

"Lorsque vous produisez des nanotiges métalliques de 10 nanomètres de diamètre ou moins, les nanoeffets prennent le dessus et vous commencez à profiter de ces propriétés à l'échelle nanométrique dont tout le monde écrit et dont tout le monde parle, " dit Stagon, un natif du Connecticut qui était l'un des meilleurs étudiants de sa classe de génie mécanique à l'UConn lorsqu'il a obtenu son diplôme en 2009. Stagon est également le récipiendaire d'une prestigieuse bourse fédérale d'aide aux diplômés dans les domaines de besoin national (GAANN), qui a partiellement soutenu ses recherches sur les nanotiges.

Plus petit est toujours meilleur quand il s'agit de nanotiges métalliques, dit Huang. Les métaux nobles subissent des changements fondamentaux à l'échelle de 10 nanomètres de diamètre.

"Quand on pense à l'or, on voit que sa couleur est or, " dit Huang. " Mais quand vous descendez en dessous de 10 nanomètres de diamètre, tu commences à voir de l'or violet, or bleu, or vert, et toutes sortes de couleurs. Lorsque vous descendez en dessous de 10 nanomètres, l'élément devient également chimiquement réactif. Ses propriétés changent. Vous pouvez commencer à contrôler sa conductivité électrique."

Avoir des nanotiges clairement séparées est également essentiel, dit Huang. Lorsque les tiges sont étroitement enchevêtrées, il est difficile d'y ajouter quelque chose individuellement. Mais s'ils sont bien séparés, vous pouvez leur mettre un anneau ou un revêtement, en améliorant encore leurs propriétés et leur potentiel.

"C'était quelque chose qui n'était pas possible avant, " dit Huang. " Avec la découverte, nos collègues peuvent désormais enrober des nanotiges moins chères avec un catalyseur très coûteux pour des technologies telles que les piles à combustible avancées. C'est très excitant."

Max G. Lagally, Erwin W. Mueller professeur et professeur Bascom de science des surfaces à l'Université du Wisconsin-Madison, dit que le travail de Huang avec des nanostructures métalliques a fait progresser la compréhension des chercheurs du processus de croissance.

"Hanchen a consacré une grande partie de ses efforts au cours des 10 dernières années à comprendre à un niveau atomistique la croissance des nanostructures métalliques, et a montré comment, en particulier, les étapes médiatisent la croissance…, " dit Lagally. " Le professeur Huang a poussé ces concepts un peu plus loin ici pour démontrer comment l'existence d'étapes peut être utilisée pour contrôler la taille des nanotiges, en particulier comment les rendre extrêmement minces. Le travail est fascinant et repose sur de solides principes théoriques."

L'objectif principal de l'équipe de recherche était de définir le cadre scientifique de la croissance des nanotiges métalliques et de montrer, théoriquement, comment des nanotiges très minces pourraient être cultivées. En fait, faire pousser des nanotiges clairement séparées de 10 nanomètres de diamètre était une récompense supplémentaire – et une récompense qu'ils ont presque manquée.

L'une des particularités du travail avec des nanotiges d'un diamètre de 10 nanomètres est que vous pouvez à peine les voir sous la plupart des microscopes. Aussi, lorsque les nanotiges d'or citées dans l'étude ont été fabriquées pour la première fois, ils avaient l'air verts. Lorsque Stagon a placé le matériau sous un microscope électronique à balayage pour obtenir une meilleure vue, au début, il ne vit qu'un champ de gris.

"C'est vraiment tester la limite de résolution de n'importe quel microscope électronique à balayage, " dit Stagon. "Heureusement, le microscope du Center for Clean Energy Engineering d'UConn est parmi les meilleurs."

Stagon dit que l'expérience lui a appris à apprécier pleinement les avantages de la science de l'ingénierie de base et à quel point elle est cruciale pour faire avancer la technologie et l'industrie. Son objectif à long terme est d'être professeur afin qu'il puisse transmettre l'importance de la science fondamentale à d'autres ingénieurs en herbe.

Niu dit que le projet est "le travail le plus important et le plus excitant" qu'il ait jamais fait.

« Il y a beaucoup de dérivations en mathématiques, " dit Niu, qui a récemment été promu professeur adjoint de recherche. "Quand tu trouves enfin l'équation, quand tu le regardes et c'est si simple et beau, et ensuite vous faites des simulations et les résultats reflètent l'équation, Je ne peux pas décrire à quel point cela vous rend heureux."

Huang affirme que le succès de Stagon et Niu reflète l'engagement de l'UConn et de ses professeurs seniors à recruter et à soutenir des étudiants diplômés et des chercheurs post-doctoraux de premier ordre. Les fonctionnaires fédéraux ont reconnu la force des programmes d'études supérieures de l'UConn en octroyant 13 subventions GAANN aux étudiants diplômés de l'UConn au cours des sept dernières années.

"Nous accordons beaucoup d'attention à nos études supérieures et à nos étudiants postdoctoraux, " Huang ajoute. " Non seulement nous réussissons à attirer des étudiants américains et internationaux extrêmement talentueux, nous réussissons également à les fidéliser grâce à des bourses prestigieuses et à d'autres soutiens. Ils sont essentiels à la fois à la réussite de notre recherche et à notre mission universitaire, car après tout, nous sommes un établissement d'enseignement et notre mission est d'offrir un environnement à la prochaine génération d'ingénieurs et de les préparer à leur future carrière."