Les techniques de fabrication additive avec une précision atomique pourraient un jour créer des matériaux avec la flexibilité Legos et la ténacité Terminator, selon des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Dans un article de synthèse publié dans ACS Nano , Olga Ovchinnikova et ses collègues donnent un aperçu des chemins existants vers les matériaux 3D, mais le but ultime est de créer et de personnaliser du matériel à l'échelle atomique. Le matériau serait assemblé atome par atome, tout comme les enfants peuvent utiliser des Legos pour construire une voiture ou un château brique par brique. Ce concept, dite matière dirigée, pourrait conduire à des matériaux et des produits pratiquement parfaits, car de nombreuses limitations des techniques de fabrication conventionnelles seraient éliminées.

« Pouvoir assembler la matière atome par atome en 3D va nous permettre de concevoir des matériaux plus résistants et plus légers, plus robuste dans les environnements extrêmes et apporter des solutions économiques en énergie, chimie et informatique, " a déclaré Ovchinnikova.

Fondamentalement, la matière dirigée élimine le besoin d'éliminer les matériaux indésirables par lithographie, gravure ou d'autres méthodes traditionnelles. Ces processus ont bien servi la société, les chercheurs ont noté, mais la prochaine génération de matériaux et de produits nécessite une nouvelle approche.

"Pour la grande majorité de l'histoire enregistrée, la transformation des matériaux était limitée aux objets visibles à l'œil nu et modelés à l'aide d'outils à main, " ont écrit les chercheurs. " On peut admirer les prouesses de l'écriture du grain de riz, ou gravure fine sur une lame d'épée prisée, mais seulement deux à trois ordres de grandeur séparent ces chefs-d'œuvre de la technologie de l'âge de pierre."

Maintenant, avec la capacité de diriger la matière avec une précision atomique, le gain pourrait être des ordinateurs quantiques, téléphones portables avec plus de stockage de données et des intervalles de charge plus longs, cellules solaires à plus haut rendement, et des matériaux légers plus solides et moins chers.

"Il est en fait difficile de prédire où cela pourrait aller et comment cette technologie pourrait changer nos vies, mais nous avons l'intention de le découvrir, " a déclaré Ovchinnikova.

En utilisant le calcul et la modélisation, les chercheurs peuvent précisément concevoir, prédire, créer et contrôler les propriétés électriques et autres d'un matériau au lieu d'avoir à faire des compromis. L'auteur principal Stephen Jesse a noté que l'approche de la matière dirigée s'appuie sur des décennies de recherche et utilise des instruments conçus à l'origine pour examiner les matériaux afin d'en fabriquer de nouveaux avec une résolution de caractéristique inférieure à 10 nanomètres (10 milliardièmes de mètre).

Par exemple, le microscope électronique à transmission, développé dans les années 30, a permis l'imagerie d'un seul atome, imagerie des contraintes chimiques et cartographie structurelle au niveau du picomètre. Depuis sa création, cependant, l'interaction faisceau-matière devait être gérée pour éviter « des dommages au faisceau, " un obstacle aux études fondamentales, les chercheurs ont dit.

"Toutefois, cette interaction, combinée à l'imagerie de la microscopie électronique - et récemment ionique - peut être utilisée comme base pour une prochaine génération d'outils de nanofabrication, " dit Jesse.

L'article fournit des résumés de plusieurs autres alternatives pour la fabrication atomiquement précise de matériaux 3-D basés sur des faisceaux d'électrons et d'ions, y compris le traitement induit par faisceau d'électrons focalisé à partir de précurseurs gazeux et de précurseurs liquides.