Tous les matériaux sont constitués d'atomes, qui vibrent. Ces vibrations, ou "phonons", sont responsables, par exemple, pour savoir comment la charge électrique et la chaleur sont transportées dans les matériaux. Vibrations des métaux, semi-conducteurs, et les isolants en sont bien étudiés; cependant, maintenant les matériaux sont nanodimensionnés pour apporter de meilleures performances aux applications telles que les écrans, capteurs, piles, et membranes catalytiques. Ce qu'il advient des vibrations lorsqu'un matériau est nanométrique n'était jusqu'à présent pas compris.

Les surfaces molles vibrent fortement

Dans une publication récente en La nature , La professeure de l'ETH Vanessa Wood et ses collègues expliquent ce qu'il advient des vibrations atomiques lorsque les matériaux sont nanométriques et comment ces connaissances peuvent être utilisées pour concevoir systématiquement des nanomatériaux pour différentes applications.

L'article montre que lorsque les matériaux sont fabriqués plus petits qu'environ 10 à 20 nanomètres, c'est-à-dire 5, 000 fois plus mince qu'un air humain - les vibrations des couches atomiques les plus externes à la surface de la nanoparticule sont importantes et jouent un rôle important dans le comportement de ce matériau.

"Pour certaines applications, comme la catalyse, thermoélectrique, ou supraconductivité, ces grosses vibrations peuvent être bonnes, mais pour d'autres applications comme les LED ou les cellules solaires, ces vibrations sont indésirables, " explique Wood.

En effet, l'article explique pourquoi les cellules solaires à base de nanoparticules n'ont jusqu'à présent pas tenu toutes leurs promesses. Les chercheurs ont montré en utilisant à la fois l'expérience et la théorie que les vibrations de surface interagissent avec les électrons pour réduire le photocourant dans les cellules solaires.

"Maintenant que nous avons prouvé que les vibrations de surface sont importantes, nous pouvons concevoir systématiquement des matériaux pour supprimer ou renforcer ces vibrations, " dit Bois.

Améliorer les cellules solaires

Le groupe de recherche de Wood a longtemps travaillé sur un type particulier de nanomatériau, les nanocristaux colloïdaux, des semi-conducteurs d'un diamètre de 2 à 10 nanomètres. Ces matériaux sont intéressants car leurs propriétés optiques et électriques dépendent de leur taille, qui peuvent être facilement modifiés au cours de leur synthèse.

Ces matériaux sont maintenant utilisés commercialement comme émetteurs de lumière rouge et verte dans les téléviseurs à LED et sont à l'étude comme matériaux possibles à faible coût, cellules solaires traitées en solution. Les chercheurs ont remarqué que le fait de placer certains atomes autour de la surface du nanocristal peut améliorer les performances des cellules solaires. La raison pour laquelle cela fonctionnait n'avait pas été comprise. L'ouvrage publié dans le La nature papier donne maintenant la réponse :une coquille dure d'atomes peut supprimer les vibrations et leur interaction avec les électrons. Cela signifie un photocourant plus élevé et une cellule solaire plus efficace.

La grande science pour étudier l'échelle nanométrique

Les expériences ont été menées dans les laboratoires du professeur Wood à l'ETH Zurich et à la source suisse de neutrons de spallation de l'Institut Paul Scherrer. En observant comment les neutrons diffusent les atomes d'un matériau, il est possible de quantifier la vibration des atomes d'un matériau. Pour comprendre les mesures neutroniques, des simulations des vibrations atomiques ont été effectuées au Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) à Lugano. Bois dit, "sans accès à ces grandes installations, ce travail n'aurait pas été possible. Nous sommes incroyablement chanceux ici en Suisse d'avoir ces installations de classe mondiale."