(Phys.org) —Croissance de films minces à partir de nanoparticules en ordre, feuilles cristallines, pour fabriquer n'importe quoi, des composants microélectroniques aux cellules solaires, serait une aubaine pour les chercheurs en matériaux, mais la physique est délicate car les particules de cette taille ne forment pas de cristaux comme le font les atomes individuels.

En utilisant des particules plus grosses comme modèles, les physiciens ont prédit certaines propriétés inhabituelles de la croissance cristalline des nanoparticules - en particulier, que certaines particules, en raison de leurs tailles et des forces d'attraction entre eux, faire pousser des cristaux qui fondent lorsqu'ils sont refroidis.

Une étude dirigée par John Savage, ancien associé postdoctoral au labo d'Itai Cohen, professeur agrégé de physique, a montré que les cristaux colloïdaux, qui se forment à partir de particules en suspension dans un fluide, peut présenter ce phénomène étrange de fonte à froid. L'étude a été publiée en ligne le 20 mai dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Habituellement, les gens font pousser des cristaux de différents matériaux, comme l'arséniure de gallium semi-conducteur commun, sous forme de feuillets stratifiés d'atomes fortement liés. Les cristaux colloïdaux sont différents; ils se forment lorsque des particules colloïdales en suspension dans un fluide s'auto-assemblent en réseaux.

Pour que les colloïdes de la taille du micron forment des cristaux, les chercheurs ont introduit des particules de taille nanométrique dans le fluide, qui rivalisent avec les plus gros colloïdes pour l'espace et finissent par pousser les colloïdes ensemble, mais seulement lorsque la distance entre eux est plus petite que les nanoparticules. Parce que cette attraction résulte de l'énergie thermique des mouvements des nanoparticules, les liaisons entre les particules colloïdales sont également relativement faibles.

Ces courte portée, faibles attractions entre particules, par opposition aux liaisons atomiques fortes, présentent des comportements surprenants. Par exemple, Cohen a dit, en solution, les particules ne peuvent se sentir entre elles que lorsqu'elles sont distantes de moins d'une nanoparticule. Mais si les particules colloïdales reposent sur un substrat de particules, qui fixe l'espacement entre eux, alors la portée de l'interaction peut augmenter considérablement.

Ils ont découvert que les particules du substrat maintenaient les colloïdes lâchement liés assez longtemps pour qu'ils puissent se bousculer et interagir avec leurs voisins dans le plan, mais seulement de temps en temps. Effectivement, il semble que les particules forment des liaisons avec leurs voisins dans le plan, même s'ils ne le font que parfois.

"Cela permet aux voisins dans le plan de former des cristaux faiblement liés dont l'espacement entre les particules est beaucoup plus grand que ce à quoi vous vous attendriez, étant donné la nature à courte portée de l'interaction, " a déclaré Cohen.

Quand ils ont abaissé la température de sorte que les liaisons entre les particules étaient plus fortes que leur énergie thermique, les particules se bousculaient moins. Par conséquent, ils étaient assis plus profondément dans le puits formé par les particules de substrat et interagissaient moins fréquemment avec leurs voisins dans le plan.

Le résultat, Cohen a dit, est que les colloïdes n'étaient plus capables de former des liaisons dans le plan qui peuvent maintenir le cristal ensemble, ainsi les particules peuvent se diffuser et le cristal se dissout ou fond. "C'est cet effet bizarre, " Cohen a dit, "où le cristal fond en refroidissant."

Ces résultats pourraient aider les chercheurs en matériaux à adapter la croissance de cristaux composés de nanoparticules - où des effets similaires se produisent - pour de nouvelles applications dans l'électronique ou les matériaux énergétiques.

L'étude, "La formation de cristaux induits par l'entropie sur des substrats fortement sollicités, " a été soutenu par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah et la National Science Foundation.