Un phénomène surprenant a été trouvé dans les nanoparticules métalliques :elles apparaissent, de l'exterieur, être des gouttelettes liquides, vacillante et changeant facilement de forme, tandis que leurs intérieurs conservent une configuration cristalline parfaitement stable.

L'équipe de recherche à l'origine de la découverte, dirigé par le professeur du MIT Ju Li, affirme que le travail pourrait avoir des implications importantes pour la conception de composants en nanotechnologie, tels que les contacts métalliques pour les circuits électroniques moléculaires.

Les résultats, publié dans la revue Matériaux naturels , proviennent d'une combinaison d'analyses en laboratoire et de modélisation informatique, par une équipe internationale qui comprenait des chercheurs en Chine, Japon, et Pittsburgh, ainsi qu'au MIT.

Les expériences ont été menées à température ambiante, avec des particules d'argent pur de moins de 10 nanomètres de diamètre, soit moins d'un millième de la largeur d'un cheveu humain. Mais les résultats devraient s'appliquer à de nombreux métaux différents, dit Li, auteur principal de l'article et professeur au BEA de sciences et d'ingénierie nucléaires.

L'argent a un point de fusion relativement élevé—962 degrés Celsius, ou 1763 degrés Fahrenheit - donc l'observation de tout comportement semblable à un liquide dans ses nanoparticules était "assez inattendu, " dit Li. Des indices du nouveau phénomène avaient été observés dans des travaux antérieurs avec de l'étain, qui a un point de fusion beaucoup plus bas, il dit.

L'utilisation des nanoparticules dans des applications allant de l'électronique aux produits pharmaceutiques est un domaine de recherche animé; généralement, Li dit, ces chercheurs « veulent former des formes, et ils veulent que ces formes soient stables, dans de nombreux cas sur une période de plusieurs années. » Ainsi, la découverte de ces déformations révèle un obstacle potentiellement sérieux à de nombreuses applications de ce type :par exemple, si des nanoligaments d'or ou d'argent sont utilisés dans des circuits électroniques, ces déformations pourraient rapidement provoquer une défaillance des connexions électriques.

Seulement la peau en profondeur

L'imagerie détaillée des chercheurs avec un microscope électronique à transmission et une modélisation atomistique a révélé que tandis que l'extérieur des nanoparticules métalliques semble se déplacer comme un liquide, seules les couches les plus externes – un ou deux atomes d'épaisseur – se déplacent réellement à un moment donné. Au fur et à mesure que ces couches externes d'atomes se déplacent à la surface et se redéposent ailleurs, ils donnent l'impression d'un mouvement beaucoup plus grand, mais à l'intérieur de chaque particule, les atomes restent parfaitement alignés, comme des briques dans un mur.

"L'intérieur est cristallin, donc les seuls atomes mobiles sont la ou les deux premières monocouches, " dit Li. " Partout sauf les deux premières couches est cristallin. "

Par contre, si les gouttelettes fondaient à l'état liquide, l'ordre de la structure cristalline serait entièrement éliminé, comme un mur tombant en un tas de briques.

Techniquement, la déformation des particules est pseudo-élastique, ce qui signifie que le matériau reprend sa forme d'origine après la suppression des contraintes - comme une balle en caoutchouc pressée - par opposition à la plasticité, comme dans un bloc d'argile déformable qui conserve une nouvelle forme.

Le phénomène de plasticité par diffusion interfaciale a été proposé pour la première fois par Robert L. Coble, professeur de génie céramique au MIT, et est connu comme "Coble fluage." "Ce que nous avons vu est justement appelé pseudo-élasticité de Coble, " dit Li.

Maintenant que le phénomène est compris, les chercheurs travaillant sur des nanocircuits ou autres nanodispositifs peuvent assez facilement le compenser, dit Li. Si les nanoparticules sont protégées même par une fine couche d'oxyde, le comportement semblable à un liquide est presque complètement éliminé, rendre possible des circuits stables.

Avantages possibles

D'autre part, pour certaines applications, ce phénomène peut être utile :par exemple, dans les circuits où les contacts électriques doivent résister à une reconfiguration en rotation, des particules conçues pour maximiser cet effet pourraient s'avérer utiles, utilisant des métaux nobles ou une atmosphère réductrice, où la formation d'une couche d'oxyde est déstabilisée, dit Li.

La nouvelle découverte va à l'encontre des attentes - en partie, en raison d'une relation bien comprise, dans la plupart des matériaux, dans lequel la résistance mécanique augmente à mesure que la taille est réduite.

"En général, plus la taille est petite, plus la force est élevée, " Li dit, mais "à de très petites tailles, un composant matériel peut devenir beaucoup plus faible. La transition de "plus petit est plus fort" à "plus petit est beaucoup plus faible" peut être très nette."

Ce croisement, il dit, se déroule à environ 10 nanomètres à température ambiante, une taille que les fabricants de puces approchent à mesure que les circuits rétrécissent. Lorsque ce seuil est atteint, Li dit, il provoque « une chute très abrupte » de la résistance d'un nanocomposant.

Les résultats pourraient également aider à expliquer un certain nombre de résultats anormaux observés dans d'autres recherches sur les petites particules, dit Li.