Des blocs de construction à l'échelle atomique qui ont été comparés à des Lego microscopiques permettent aux chercheurs de jouer avec les propriétés des matériaux courants, et les possibilités sont si grandes qu'elles pourraient occuper les scientifiques pendant les 50 prochaines années.

De l'âge de pierre à la Silicon Valley, matériaux ont défini les capacités technologiques des civilisations.

Le professeur Andre Geim de l'Université de Manchester au Royaume-Uni connaît bien la boîte à outils disponible aujourd'hui. En 2010, il a reçu le prix Nobel de physique pour l'avoir étendu avec une forme exotique de carbone connue sous le nom de graphène.

Contrairement aux matériaux issus de la nature, le graphène est une création de la science. Il est décollé de graphite en motifs en nid d'abeille aussi fins qu'un seul atome. Les lois quantiques qui prévalent à ces échelles minuscules font que les électrons se déplacent à travers le graphène de manière inhabituelle.

"Le graphène peut être plus résistant que l'acier, plus conducteur que le cuivre et aussi transparent que le verre, " a déclaré le professeur Geim. « Cela ne ressemble à aucune substance trouvée dans la nature. »

Maintenant, dans le cadre du projet ARTIMATTER financé par le Conseil européen de la recherche de l'UE, Le professeur Geim adapte la matière avec des caractéristiques encore plus étranges en empilant du graphène sur d'autres matériaux atomiquement minces.

Le mélange et l'appariement de couches bidimensionnelles constituées de différents éléments donnent lieu à des propriétés physiques remarquables. Selon le professeur Geim, la bonne combinaison de blocs de construction peut transformer des matériaux isolants en conducteurs, régler les couleurs qu'ils absorbent, et synchroniser le comportement des électrons à l'intérieur.

Ces capacités découlent de profondes altérations du comportement des matériaux. Bien harnaché, ils pourraient surmonter les barrières établies dans l'électronique moderne, comme la réduction du temps de réponse des détecteurs infrarouges lointains, ou peut-être même maintenir la supraconductivité à température ambiante.

Les nouveaux blocs de construction fournissent également des outils pour tester les théories scientifiques et explorer de nouveaux phénomènes. Ce que nous apprenons de leurs excentricités pourrait avoir un impact sur la technologie future aussi profondément que la physique des semi-conducteurs a transformé le secteur de l'informatique et des télécommunications aujourd'hui.

Possibilités infinies

« Scientifiquement parlant, le graphène est terminé. Nous comprenons maintenant son fonctionnement et trouvons des applications pour cela, " a déclaré le professeur Geim. «Mais les possibilités de combiner le graphène avec d'autres matériaux atomiquement minces sont presque infinies. Je ne pense pas que ce travail de Lego soit terminé dans les 50 prochaines années.

L'une des raisons pour lesquelles il est difficile d'anticiper les résultats potentiels des blocs de construction nanoscopiques est que les ordinateurs qui calculent leur assemblage ne sont pas assez puissants pour prendre en compte toute leur complexité.

Dr Barbara Capone de l'Université de Vienne, L'Autriche, et l'Université de Rome Tre, Italie, travaille sur des polymères – de longues chaînes d'atomes qui répètent des millions de fois la même séquence.

Bien que les processeurs de données puissent prédire comment ces blocs de construction se comportent lorsqu'ils sont seuls ou en grappes denses, ils ne peuvent pas suivre les réactions qui se produisent lorsque de faibles concentrations de polymères se mélangent.

« Nous pouvons simuler le comportement des atomes individuels dans des molécules uniques, et pour les concentrations denses, nous pouvons faire la moyenne de milliards de défauts et de bizarreries, " dit le docteur Capone. "Mais ce qui se passe entre ces extrêmes reste mystérieux car il y a trop de molécules à suivre et trop peu pour généraliser."

bouchées

Le Dr Capone a passé des années à affiner les méthodes statistiques en physique théorique pour aider les ordinateurs à faire face à la complexité. Plutôt que de suivre chaque pièce du puzzle simultanément, elle regroupe les réactions en régions de la taille d'une bouchée et modélise les interactions entre leurs moyennes locales. Lorsqu'il est appliqué à des concentrations de polymère clairsemées, ses simplifications sont des joyaux révélateurs parmi le désordre.

« Ces polymères sont des blocs de construction remarquables, " dit le docteur Capone. 'Selon combien de temps et de densité nous les fabriquons, ou comment nous greffons les chaînes les unes aux autres, ils se plient en des formes complètement différentes.

En principe, le bon mélange d'ingrédients pourrait se former spontanément dans les colonnes cubiques de cristaux semi-conducteurs communs, le réseau amorphe du verre, ou encore la structure en nid d'abeille du graphène.

C'est une bonne nouvelle pour tous ceux qui travaillent sur des matériaux pour l'électronique. Sculpter les grilles atomiques parfaites nécessaires pour construire des transistors ou des cellules solaires de haute qualité nécessite actuellement de grandes quantités de temps et d'énergie.

Les collègues du Dr Capone prennent des mesures expérimentales vers une autre application. Dans le cadre du projet NANODRIVE financé par l'UE, ils produiront des polymères en forme d'étoile qui s'effondrent en réagissant avec un composé donné, puis libèrent leur cargaison lorsqu'ils atteignent l'environnement souhaité.

C'est essentiellement la façon dont les médicaments délivrent des produits chimiques, seulement ils le font avec des molécules tortueusement compliquées. La simplification des composants pourrait rendre le processus plus économique et polyvalent.

'Les opportunités sont infinies, " dit le Dr Capone, qui lancera NANODRIVE ce mois-ci. "Avec quelques ajustements, ces polymères pourraient former des structures qui encapsulent les polluants et les filtrent hors de l'eau potable.'

Le Dr Capone dit qu'elle est enthousiasmée à la fois par les avantages sociaux qu'une telle technologie pourrait apporter aux situations d'urgence et par les informations que les blocs de construction de base pourraient offrir sur le plan physique, processus chimiques et biologiques qui se déroulent à l'échelle nanométrique.

« J'ai toujours été intéressé par la recherche de la façon la plus simple de faire quelque chose de compliqué, " dit le docteur Capone. « C'est souvent le meilleur moyen de comprendre comment cela fonctionne.