Depuis l'aube de l'âge du bronze, les gens ont apprécié les avantages d'utiliser des alliages plutôt que des métaux simples pour fabriquer de meilleurs matériaux. Récemment, les scientifiques ont découvert une recette pour fabriquer de minuscules structures à deux métaux qui pourraient également étendre l'avant-garde de la science des matériaux.

Les nanoparticules bimétalliques - de minuscules grains de quelques dizaines à des centaines d'atomes - sont extrêmement prometteuses en tant que catalyseurs pour un certain nombre d'applications différentes, selon Jeffrey Elam, chimiste au Laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie. Cependant, jusqu'à présent, les chercheurs manquaient d'une méthode générale précise et souple pour les créer.

Selon Elam, les méthodes traditionnelles manquent de précision pour fabriquer un lot de nanoparticules purement bimétalliques. Au lieu, ils produisent un mélange de nanoparticules bimétalliques et monométalliques, et ces différentes nanoparticules ont des propriétés chimiques différentes.

Selon Elam, il existe deux principaux types de nanoparticules bimétalliques que les scientifiques tentent de concevoir. Dans une configuration, appelé core-shell, un métal entoure complètement l'autre, comme l'enrobage de bonbons sur le centre de chocolat d'un Tootsie Pop. Dans l'autre configuration, appelé alliage, les métaux sont mélangés de manière homogène à l'échelle atomique, de sorte que des atomes des deux métaux soient présents à la surface de la nanoparticule.

Des calculs théoriques prédisent que les deux types de nanoparticules bimétalliques peuvent être des catalyseurs exceptionnels dans des applications telles que les biocarburants et les piles à combustible. Mais les scientifiques n'avaient pas de stratégie générale pour synthétiser l'un ou l'autre type de nanoparticule sur n'importe quelle surface et pour une large gamme de métaux différents.

Afin de surmonter ces limitations, Elam et ses collègues d'Argonne se sont tournés vers le dépôt par couche atomique (ALD), une technique empruntée à la fabrication de semi-conducteurs, dans lequel des feuilles de matériau extrêmement minces sont superposées les unes sur les autres. Chaque fois qu'un "cycle" ALD est effectué, une nouvelle feuille de matériau de quelques atomes d'épaisseur se dépose. ALD avait été utilisé dans le passé pour créer une variété de matériaux avec des propriétés chimiques et électriques personnalisables, mais jusqu'à présent, les chercheurs n'avaient pas été en mesure de faire croître de manière sélective des nanoparticules bimétalliques avec suffisamment de contrôle pour créer des catalyseurs efficaces.

L'ALD a déjà été utilisée pour faire croître des nanoparticules monométalliques sur des surfaces, mais la percée d'Argonne permet aux scientifiques de cultiver le deuxième métal uniquement sur le premier métal, et non sur les surfaces environnantes. Les clés consistaient à contrôler soigneusement la température de croissance et à sélectionner judicieusement les produits chimiques utilisés. En utilisant cette stratégie, les chercheurs d'Argonne ont pu fabriquer à la fois des nanoparticules cœur-coquille et alliages tout en contrôlant la composition et la taille des particules sur une variété de surfaces différentes.

"C'est comme pouvoir personnaliser une voiture avec les caractéristiques exactes que vous voulez qu'elle ait, " a déclaré Elam. " Une fois que nous aurons créé ces catalyseurs de nanoparticules personnalisés, nous pouvons les transmettre à nos collègues scientifiques pour un essai routier."

Cette étude a été organisée par l'Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), un centre de recherche Energy Frontier financé par l'Office of Science du DOE. Fondé en 2009 en tant que programme de cinq ans, IACT a établi un partenariat entre Argonne et Brookhaven National Laboratory, Université du nord-ouest, Purdue University et l'Université du Wisconsin à Madison pour améliorer l'efficacité de la conversion des matières premières de la biomasse en combustibles.