À cette période de l'année, il n'est pas difficile d'imaginer le monde enseveli sous une douce couverture de neige. Une table de pique-nique sur une pelouse plate finit par disparaître alors que des milliards de flocons de neige s'accumulent autour d'elle, une feuille cristalline obscurcissant les pics et les vallées normalement visibles de notre monde estival.

C'est essentiellement ainsi que les scientifiques comprennent la théorie classique de la croissance cristalline. Les marches de hauteur disparaissent progressivement à mesure que les atomes d'un matériau donné - qu'il s'agisse de neige, de cuivre ou d'aluminium - se rassemblent sur une surface, puis dégringolent à des hauteurs plus basses pour combler les lacunes. Le seul problème avec cette théorie est qu'elle s'effondre totalement lorsqu'elle est appliquée à des situations extrêmement petites - c'est-à-dire, l'échelle nanométrique.

Hanchen Huang, professeur et directeur du Département de génie mécanique et industriel, a passé les 10 dernières années à réviser la théorie classique de la croissance cristalline qui explique ses observations de cristaux de nanotiges. Son travail a recueilli le soutien continu des États-Unis, Programme de base des sciences de l'énergie du ministère de l'Énergie.

Les nanotiges sont de minuscules fibres cultivées perpendiculairement à un substrat, chacun environ 100, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. Marches de surface, ou les variations mineures du paysage vertical de ce substrat, déterminer comment les tiges vont grandir.

"Même si certaines marches de surface sont plus proches et d'autres plus écartées au départ, avec le temps, la théorie classique prédit qu'ils deviennent plus égalisés, " a déclaré Huang. "Mais nous avons constaté que la théorie classique manquait un mécanisme de rétroaction positive."

Ce mécanisme, il expliqua, provoque le "regroupement des étapes, ", ce qui rend plus difficile pour les atomes de passer d'un échelon supérieur à un échelon inférieur. Ainsi, au lieu de combler les interstices de hauteur d'une surface variable, les atomes dans un cristal de nanotige se localisent aux niveaux les plus élevés.

"La région la plus haute devient plus haute, " dit Huang. " C'est comme, si jamais tu joues au basket, vous savez que les gars les plus grands obtiendront plus de rebonds. » C'est essentiellement ce qui se passe avec la croissance des nanotiges.

la théorie de Huang, qui a été publié dans la revue Lettres d'examen physique cette année, représente la première fois que quelqu'un a fourni un cadre théorique pour comprendre la croissance cristalline des nanotiges. "Beaucoup d'argent a été dépensé au cours des dernières décennies dans les nanosciences et les nanotechnologies, " a déclaré Huang. "Mais nous ne pouvons transformer cela en applications réelles que si nous comprenons la science."

En effet, sa contribution à la compréhension de la science lui a permis, ainsi qu'à ses collègues, de prédire la plus petite taille possible de nanotiges de cuivre, puis de les synthétiser avec succès. Non seulement ce sont les plus petites nanotiges jamais produites, mais avec la théorie de Huang, il peut affirmer en toute confiance que ce sont les plus petites nanotiges possibles en utilisant le dépôt physique en phase vapeur.

Le matériau a des implications majeures pour les applications commerciales, comprenant une sorte de colle métallique qui peut fusionner deux morceaux de métal ensemble à température ambiante, en milieu ambiant, et avec très peu d'entrée de pression. Cette technologie peut permettre une soudure ambiante sans avoir besoin de plomb toxique, et pourrait donc être extrêmement précieux pour l'industrie des semi-conducteurs, qui imprègne la société par l'utilisation omniprésente d'appareils portables et d'autres ordinateurs.