Cette animation montre des blocs de construction moléculaires rejoignant la pointe d'un nanofil en croissance. Chaque bloc se compose d'un diamantoïde - le plus petit morceau de diamant possible - attaché à des atomes de soufre et de cuivre (sphères jaunes et brunes). Comme les blocs LEGO, ils ne s'emboîtent que de certaines manières qui sont déterminées par leur taille et leur forme. Les atomes de cuivre et de soufre forment un fil conducteur au milieu, et les diamantoïdes forment une enveloppe extérieure isolante. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l'énergie ont découvert un moyen d'utiliser des diamantoïdes - les plus petits morceaux de diamant possibles - pour assembler des atomes dans les fils électriques les plus fins possibles, juste trois atomes de large.
En saisissant divers types d'atomes et en les assemblant à la manière de LEGO, la nouvelle technique pourrait potentiellement être utilisée pour construire de minuscules fils pour un large éventail d'applications, y compris les tissus qui produisent de l'électricité, dispositifs optoélectroniques utilisant à la fois l'électricité et la lumière, et des matériaux supraconducteurs qui conduisent l'électricité sans aucune perte. Les scientifiques ont rendu compte de leurs résultats aujourd'hui dans Matériaux naturels .
"Ce que nous avons montré ici, c'est que nous pouvons créer de minuscules, des fils conducteurs de la plus petite taille possible qui s'assemblent essentiellement eux-mêmes, " dit Hao Yan, chercheur postdoctoral à Stanford et auteur principal de l'article. "Le processus est simple, synthèse en un seul pot. Vous videz les ingrédients ensemble et vous pouvez obtenir des résultats en une demi-heure. C'est presque comme si les diamantoïdes savaient où ils veulent aller."
Le plus petit est le mieux
Bien qu'il existe d'autres moyens d'obtenir des matériaux à assembler eux-mêmes, c'est le premier montré pour faire un nanofil avec un solide, noyau cristallin qui a de bonnes propriétés électroniques, a déclaré le co-auteur de l'étude Nicholas Melosh, professeur agrégé au SLAC et à Stanford et chercheur au SIMES, l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie au SLAC.
Les fils en forme d'aiguille ont un noyau semi-conducteur - une combinaison de cuivre et de soufre connue sous le nom de chalcogénure - entouré par les diamantoïdes attachés, qui forment une coque isolante.
Amas blancs flous de nanofils sur une paillasse de laboratoire, avec un sou pour l'échelle. Assemblé à l'aide de diamantoïdes, les nanofils microscopiques sont visibles à l'œil nu car la forte attraction mutuelle entre leurs coquilles diamantoïdes les fait s'agglutiner, dans ce cas par millions. En haut à droite, une image réalisée au microscope électronique à balayage montre des amas de nanofils grossis 10, 000 fois. Crédit :image SEM par Hao Yan/SIMES; photo du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Leur taille minuscule est importante, Meloch a dit, parce qu'un matériau qui n'existe qu'en une ou deux dimensions - sous forme de points à l'échelle atomique, fils ou feuilles - peuvent avoir très différents, propriétés extraordinaires par rapport au même matériau fabriqué en vrac. La nouvelle méthode permet aux chercheurs d'assembler ces matériaux avec une précision et un contrôle atome par atome.
Les diamantoïdes qu'ils utilisaient comme outils d'assemblage sont minuscules, cages imbriquées de carbone et d'hydrogène. Trouvé naturellement dans les fluides pétroliers, ils sont extraits et séparés par taille et géométrie dans un laboratoire du SLAC. Durant la dernière décennie, un programme de recherche SIMES dirigé par Melosh et le professeur SLAC/Stanford Zhi-Xun Shen a trouvé un certain nombre d'utilisations potentielles pour les petits diamants, y compris l'amélioration des images au microscope électronique et la fabrication de minuscules gadgets électroniques.
Attraction constructive
Pour cette étude, l'équipe de recherche a profité du fait que les diamantoïdes sont fortement attirés les uns vers les autres, par ce qu'on appelle les forces de van der Waals. (Cette attraction est ce qui fait que les diamantoïdes microscopiques s'agglutinent en cristaux ressemblant à du sucre, c'est la seule raison pour laquelle vous pouvez les voir à l'œil nu.)
Ils ont commencé avec les plus petits diamantoïdes possibles - des cages uniques qui ne contiennent que 10 atomes de carbone - et ont attaché un atome de soufre à chacun. Flottant dans une solution, chaque atome de soufre lié à un seul ion cuivre. Cela a créé le bloc de construction de base des nanofils.
Les blocs de construction ont ensuite dérivé les uns vers les autres, attiré par l'attraction van der Waals entre les diamantoïdes, et attaché à la pointe de croissance du nanofil.
Une illustration montre un cluster hexagonal de sept nanofils assemblés par des diamantoïdes. Chaque fil a un noyau électriquement conducteur composé d'atomes de cuivre et de soufre (sphères brunes et jaunes) entouré d'une coque diamantoïde isolante. L'attraction naturelle entre les diamantoïdes entraîne le processus d'assemblage. Crédit :H. Yan et al., Matériaux naturels
"Un peu comme les blocs LEGO, ils ne s'emboîtent que de certaines manières qui sont déterminées par leur taille et leur forme, " a déclaré Fei Hua Li, étudiant diplômé de Stanford, qui a joué un rôle essentiel dans la synthèse des minuscules fils et dans la détermination de leur croissance. "Les atomes de cuivre et de soufre de chaque bloc de construction se sont enroulés au milieu, former l'âme conductrice du fil, et les diamantoïdes plus volumineux enroulés à l'extérieur, formant la coque isolante."
Une boîte à outils polyvalente pour la création de nouveaux matériaux
L'équipe a déjà utilisé des diamantoïdes pour fabriquer des nanofils unidimensionnels à base de cadmium, zinc, fer et argent, y compris certains qui ont grandi assez longtemps pour voir sans microscope, et ils ont expérimenté la réalisation des réactions dans différents solvants et avec d'autres types de rigides, molécules en forme de cage, comme les carboranes.
Les fils à base de cadmium sont similaires aux matériaux utilisés en optoélectronique, comme les diodes électroluminescentes (LED), et ceux à base de zinc sont comme ceux utilisés dans les applications solaires et dans les générateurs d'énergie piézoélectrique, qui convertissent le mouvement en électricité.
"Vous pouvez imaginer les tisser dans des tissus pour générer de l'énergie, " Melosh a déclaré. " Cette méthode nous donne une boîte à outils polyvalente où nous pouvons bricoler un certain nombre d'ingrédients et de conditions expérimentales pour créer de nouveaux matériaux avec des propriétés électroniques finement réglées et une physique intéressante. "
Les théoriciens dirigés par le directeur du SIMES Thomas Devereaux ont modélisé et prédit les propriétés électroniques des nanofils, qui ont été examinés avec des rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour déterminer leur structure et d'autres caractéristiques.
