Imaginez construire un réacteur chimique suffisamment petit pour étudier des nanoparticules d'un milliardième de mètre de diamètre. Un milliard de fois plus petit qu'une goutte de pluie est le volume d'une cellule d'E. coli. Et un million de fois plus petit serait un réacteur assez petit pour étudier des nanoparticules isolées. Ajoutez à cela le défi de faire non seulement un de ces petits réacteurs, mais des milliards d'entre eux, tous identiques en taille et en forme. C'est exactement ce que les chercheurs de Cornell ont fait.

Une équipe dirigée par Tobias Hanrath, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire, a démontré la fusion contrôlée de points quantiques semi-conducteurs dans une cage de nanoréacteur de particules rouillées.

L'équipe a disposé six cristaux de séléniure de plomb dans un cadre de sphères d'oxyde de fer (rouille). Ils ont étudié comment les points quantiques au sein de la "cage rouillée" nanométrique interagissent, utilisant des rayons X à la source synchrotron à haute énergie de Cornell (CHESS). Ces expériences leur ont permis de localiser des interactions spécifiques entre les particules dans la boîte et ainsi d'ouvrir la voie à la fabrication de nouveaux matériaux dotés de propriétés par conception. Les résultats, qui pourrait être appliqué à d'autres matériaux, ont été publiés dans Rapports scientifiques , 23 octobre.

Ils ont utilisé CHESS pour effectuer une diffusion des rayons X sur des unités répétitives de ces boîtes rouillées pendant qu'elles les chauffaient, regarder ce qui arrive au séléniure de plomb au centre. Avec les données de diffusion agissant comme un film haute définition, ils ont pu identifier différentes étapes de fusion des hexamères de séléniure de plomb. Cela pourrait permettre de mieux comprendre comment extraire des fonctionnalités spécifiques de ces nanomatériaux peu compris. Trop de chaleur a fait fritter et fusionner les cristaux de plomb; pas assez de chaleur ne les a pas assez rapprochés pour interagir.

L'étudiant diplômé Ben Treml a dirigé les expériences; il synthétise les particules et les assemble en super-réseaux (réseaux de nanocristaux, plutôt que des atomes). Les échantillons ont été étudiés sur la ligne de faisceau D1 de CHESS avec le co-auteur Detlef Smilgies, scientifique du personnel, qui a aidé Treml à peaufiner les expériences.

Les résultats ont été vérifiés par modélisation théorique par les co-auteurs Paulette Clancy, professeur de génie chimique et biomoléculaire, et l'associé postdoctoral Binit Lukose.