Les chercheurs rapportent qu'il est possible de déplacer une nanoparticule à la surface d'une feuille de graphène en appliquant une différence de température aux extrémités de la membrane - un nanocluster à la surface dérivera de la région chaude vers la région froide. En outre, contrairement aux lois physiques à l'échelle macro, la force agissant sur la particule - la force dite thermophorétique - ne doit pas diminuer à mesure que la longueur de la feuille augmente, arborant plutôt un comportement dit balistique, comme une balle dans le canon d'un fusil. En réalité, les simulations montrent que les oscillations thermiques verticales de la membrane de graphène s'écoulent balistiquement du chaud au froid, fournir une poussée à l'objet.

Pour utiliser une autre analogie, ces vagues verticales, appelés phonons de flexion, pousser le nanocluster de la même manière que les vagues de l'océan poussent une planche de surf vers le rivage, peu importe d'où venait la vague. Ces prédictions théoriques pourraient être d'un grand intérêt pour la manipulation des matériaux à l'échelle nanométrique. La recherche a été publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Les gradients de température dans un fluide confèrent à un corps une force qui peut le déplacer. Un tel phénomène, techniquement appelé thermophorèse, est connu depuis des siècles. Plus récemment, des simulations numériques ont indiqué qu'un tel déplacement spatial induit par gradient fonctionne également pour des molécules ou de petits amas placés sur une membrane solide à deux dimensions comme le graphène. Mais personne n'a jamais essayé de comprendre la physique derrière le processus. C'était le but de notre étude, " expliquent les scientifiques.

A l'aide d'un logiciel spécifique, les chercheurs ont simulé le comportement d'un minuscule nanocluster d'or, composé de quelques centaines d'atomes, adsorbé sur une feuille de graphène suspendue entre deux extrémités avec des températures différentes.

« Dans un tel état, la particule se déplace en fait de l'extrémité chaude à l'extrémité froide. Étonnamment, bien que, la poussée qui lui est imposée ne dépend que du gradient thermique et non de la longueur de la tôle, " disent les chercheurs. Ainsi, il est montré que la distance entre les deux extrémités de la membrane n'a aucune influence sur la force agissant sur l'amas d'or - cette force reste constante jusqu'à et au-delà d'une longueur de feuille de 100 nanomètres.

"Nous avons nommé cette thermophorèse particulière balistique, pour le distinguer du diffusif, qui tient naturellement dans le monde macroscopique. En utilisant une métaphore simple, imaginez les deux extrémités de la feuille de graphène comme le haut et le bas d'un toboggan sur le terrain de jeu, et la différence de température comme écart de hauteur. Dans le monde macroscopique que nous vivons au quotidien, plus les extrémités de la glissière sont proches, plus la chute de l'objet sera rapide. Dans le nanomonde, selon nos simulations, ce n'est pas ce qui se passe. A cette échelle, la force et la vitesse de chute ne dépendent que du gradient de température. Mais pas sur la distance... Nous avons constaté que la force subie par la particule est due aux mouvements thermiques verticaux, appelés phonons de flexion, qui sont particulièrement larges et souples dans une membrane de graphène. Le flux de phonons de flexion passe du chaud au froid sans perdre de force et pousser l'objet sur la surface, " écrivent les scientifiques.

Comment de telles ondes thermiques verticales peuvent-elles donner une poussée horizontale à l'amas d'or ? "Notre étude montre qu'un mécanisme anharmonique précis joue un rôle crucial dans le graphène et dans d'autres membranes flexibles bidimensionnelles. Ce mécanisme fournit aux phonons de flexion une quantité de mouvement mécanique, qu'ils n'ont généralement pas. Agissant comme s'ils portaient une masse, les phonons transfèrent une partie de leur impulsion à la particule d'or, l'incitant à bouger... C'est exactement comme une nappe sur une table - une ondulation au centre (les phonons de flexion), ce qui signifie une densité de tissu plus élevée au centre, force les extrêmes à se contracter (les phonons longitudinaux, dans le cas du graphène). La particule déposée n'est sensible qu'à l'ondulation, qui le pousse en avant."

Les auteurs concluent, "Quand ce projet a démarré, nous ne nous attendions pas à pouvoir observer une telle variété de phénomènes, c'était une étude purement théorique. Nos résultats, bien que, ouvrir la voie à de futures expérimentations, en tant que force mécanique indépendante de la distance pourrait bien avoir des applications pratiques."