La sérendipité a autant sa place en science qu'en amour. C'est ce que les physiciens du Nord-Est Swastik Kar et Srinivas Sridhar ont découvert au cours de leur projet de quatre ans pour modifier le graphène, un réseau infiniment mince plus solide que l'acier d'atomes de carbone étroitement emballés. Principalement financé par le Army Research Laboratory et la Defense Advanced Research Projects Agency, ou DARPA, les chercheurs ont été chargés d'imprégner le matériau vieux de dix ans d'une sensibilité thermique pour une utilisation dans des appareils d'imagerie infrarouge tels que des lunettes de vision nocturne pour l'armée.

Ce qu'ils ont déniché, publié vendredi dans le journal Avancées scientifiques , était bien plus :un tout nouveau matériau filé à partir de bore, azote, carbone, et de l'oxygène qui montre des signes de magnétisme, optique, et électriques ainsi que les propriétés thermiques recherchées par la DARPA. Ses applications potentielles couvrent toute la gamme :des matrices de 20 mégapixels pour les appareils photo des téléphones portables aux photodétecteurs en passant par les transistors atomiquement minces qui, multipliés par des milliards, pourraient alimenter les ordinateurs.

« Il a fallu repartir de zéro et tout construire, " dit Kar, professeur adjoint de physique au Collège des sciences. "Nous étions en voyage, créer un nouveau chemin, une nouvelle direction de recherche."

Le couple était familier des "alliages, " combinaisons contrôlées d'éléments qui ont abouti à des matériaux avec des propriétés qui ont dépassé celles du graphène, par exemple, l'ajout de bore et d'azote au carbone du graphène pour indiquer la conductivité nécessaire pour produire un isolant électrique. Mais personne n'avait jamais pensé à choisir de l'oxygène à ajouter au mélange.

Qu'est-ce qui a poussé les chercheurs du Nord-Est à le faire?

"Bien, nous n'avons pas choisi l'oxygène, " dit Kar, souriant largement. "L'oxygène nous a choisis."

Oxygène, bien sûr, est partout. En effet, Kar et Sridhar ont passé beaucoup de temps à essayer de se débarrasser de l'oxygène qui s'infiltrait dans leur breuvage, craignaient que cela ne contamine le matériau « pur » qu'ils cherchaient à développer.

"C'est là que le moment Aha! s'est produit pour nous, " dit Kar. " Nous avons réalisé que nous ne pouvions pas ignorer le rôle que joue l'oxygène dans la façon dont ces éléments se mélangent. "

"Alors, au lieu d'essayer d'éliminer l'oxygène, nous avons pensé :maîtrisons son introduction, " ajoute Sridhar, le professeur émérite de physique en arts et sciences et directeur de l'Institut de recherche sur les matériaux électroniques de Northeastern.

Oxygène, il s'est avéré, se comportait dans la chambre de réaction d'une manière que les scientifiques n'avaient jamais prévue :il déterminait comment les autres éléments - le bore, carbone, et de l'azote - combinés dans un solide, forme cristalline, tout en s'insérant dans le treillis. Les traces d'oxygène étaient, métaphoriquement, "graver" certaines des plaques de carbone, explique Kar, laissant la place au bore et à l'azote pour combler les lacunes.

"C'était comme si l'oxygène contrôlait la structure géométrique, " dit Sridhar.

Ils ont nommé le nouveau matériau, sensiblement, 2D-BNCO, représentant les quatre éléments du mélange et la bidimensionnalité du matériau léger ultra-mince, et entreprend de le caractériser et de le fabriquer, pour s'assurer qu'il était à la fois reproductible et évolutif. Cela signifiait enquêter sur les myriades de permutations des quatre ingrédients, en maintenant trois constants tout en faisant varier la mesure de l'autre, et vice versa, plusieurs fois.

Après chaque essai, ils ont analysé la structure et les propriétés fonctionnelles du produit - électriques, optique—à l'aide de microscopes électroniques et d'outils spectroscopiques, et collaboré avec des physiciens computationnels, qui a créé des modèles des structures pour voir si les configurations seraient réalisables dans le monde réel.

Ensuite, ils examineront les propriétés mécaniques du nouveau matériau et commenceront à valider expérimentalement les propriétés magnétiques conférées, étonnamment, par l'entremêlement de ces quatre éléments non magnétiques. « Vous commencez à voir très rapidement à quel point ce processus est compliqué, " dit Kar.

Des collaborateurs du monde entier ont contribué à cette complexité. En plus des chercheurs associés du Nord-Est, stagiaires postdoctoraux, et étudiants diplômés, les contributeurs comprenaient des chercheurs du gouvernement, industrie, et universitaires des États-Unis, Mexique, et l'Inde.

"Il y a encore un long chemin à parcourir mais il y a des indications claires que nous pouvons régler les propriétés électriques de ces matériaux, " dit Sridhar. " Et si nous trouvons la bonne combinaison, nous atteindrons très probablement le point où nous atteindrons la sensibilité thermique que la DARPA recherchait initialement ainsi que de nombreuses applications encore imprévues. »