Cette image de micrographie électronique à balayage (MEB) montre la pointe de test nanomécanique passant sur les réseaux de nanopiliers sur mesure alors qu'elle applique une pression pour tester l'élasticité et le potentiel de stockage d'énergie. L'encart montre la structure d'un nanopilier hybride individuel. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Une équipe de scientifiques du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie et de l'Université du Connecticut a développé un nanomatériau personnalisable qui combine la résistance métallique avec une capacité semblable à une mousse à se comprimer et à rebondir.
"Nous avons conçu des matériaux capables de stocker et de libérer une quantité sans précédent d'énergie mécanique à l'échelle nanométrique - pour son poids, l'un des plus élevés jamais parmi les matériaux d'ingénierie à haute résistance connus, " a déclaré Chang-Yong Nam, scientifique et chercheur principal du Brookhaven Lab. " Et notre technique s'intègre dans les processus de semi-conducteurs industriels existants, ce qui signifie que le passage du laboratoire aux applications pratiques devrait être simple."
L'étude, publié le 19 octobre dans la revue Lettres nano , décrit des nanostructures de quelques milliardièmes de mètre composées de molécules organiques et inorganiques. Ces structures personnalisées, comme les piliers explorés dans cette étude, permettront des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) plus avancés, par exemple dans les appareils qui nécessitent des ressorts ultra-petits, leviers, ou moteurs. La technologie NEMS qui pourrait potentiellement exploiter ce nouveau matériau comprend des accéléromètres ultra-sensibles, résonateurs multifonctionnels, et des muscles artificiels biosynthétiques.
"La percée s'est appuyée sur nous pour développer la synthèse, " a ajouté Nam. " Nous avons associé l'expertise dans le dépôt de couches atomiques et la lithographie par faisceau d'électrons à l'infiltration innovante de matériaux en phase vapeur pour donner vie à ces nouveaux matériaux. "
Élasticité à l'échelle nanométrique
La collaboration visait à améliorer un paramètre spécifique :le « module de résilience, " ou la mesure de la capacité d'un matériau à absorber l'énergie mécanique puis à la libérer sans subir de dommages structurels. Cela nécessite à la fois une résistance mécanique élevée et une faible rigidité - une combinaison rare, car ces qualités augmentent généralement simultanément.
"Nos matériaux hybrides organiques-inorganiques présentent une résistance élevée semblable à celle du métal mais une faible rigidité semblable à celle de la mousse, " a déclaré le coauteur Keith Dusoe de l'Université du Connecticut, qui a effectué les tests nanomécaniques et l'analyse théorique. "Ce couplage unique de propriétés mécaniques explique la capacité de notre matériau à stocker et à libérer une quantité extraordinairement importante d'énergie élastique."
Cette élasticité essentielle, comme la flexion et la libération d'un muscle, est limitée à la fois par la chimie et la structure, les scientifiques se sont donc tournés vers un matériau hybride comprenant à la fois des éléments organiques et inorganiques.
Synthèse par infiltration
Le processus a commencé par la lithographie, où un faisceau focalisé d'électrons a sculpté de petits piliers (300 nanomètres de large et 1000 nanomètres de haut) dans un polymère appelé SU-8, un matériau photosensible généralement utilisé pour la fabrication de dispositifs à l'échelle micrométrique. La géométrie précise du processus de lithographie a jeté les bases structurelles de l'infiltration ultérieure d'éléments inorganiques, tous deux menés au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science.
L'équipe a placé le réseau de nanopiliers dans une chambre à vide et a introduit une vapeur de précurseur d'aluminium, un processus appelé dépôt de couche atomique (ALD). Le précurseur pénètre naturellement dans les pores des piliers polymères, un peu comme le lissage du béton moléculaire sur les fissures et les fissures d'un trottoir. Une exposition ultérieure à l'eau a transformé le précurseur d'aluminium en une molécule d'oxyde métallique, qui renforce la matrice polymère. Le nombre et la durée de ces expositions permettent aux chercheurs d'affiner les propriétés mécaniques ultimes du matériau.
"Ce procédé d'infiltration devrait permettre la combinaison unique d'une résilience élastique mécanique avec des propriétés électroniques et même optiques, étant donné les différents systèmes de matériaux inorganiques que nous pouvons infiltrer, " dit Nam. " De tels matériaux hybrides seraient vraiment nouveaux, avec des propriétés combinées inédites. Et surtout, nous pouvons exécuter cette étape avec des systèmes de dépôt disponibles dans le commerce et évolutifs."
Ce schéma montre le processus de synthèse de rupture développé pour ces nanomatériaux hybrides. D'abord, la lithographie par faisceau d'électrons sculpte les nanopiliers isolés, puis une vapeur d'aluminium (TMA) s'infiltre dans les pores des structures, et enfin, l'exposition à l'eau crée le matériau final infusé d'oxyde d'aluminium. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Ils ont testé la composition chimique et la structure en microscopie électronique à transmission au CFN, qui a révélé que les amas sphériques d'oxyde d'aluminium restaient chimiquement discrets mais entièrement intégrés dans la matrice des nanopiliers.
"Ce mélange minutieux, et en particulier la forme sphérique des amas d'oxydes métalliques, contribue au remarquable module de résilience, " a déclaré Dusoe. "Sans la charge d'oxyde métallique nanométrique infiltrée, les piliers en polymère seraient écrasés sous la contrainte mécanique."
Pour tester cette résilience, des scientifiques de l'Université du Connecticut ont fait passer une pointe nanomécanique sur l'échantillon, qui était capable d'appuyer doucement sur des piliers individuels, chacun environ 200 fois plus mince qu'un cheveu humain. L'équipe a mesuré la relation entre l'énergie mécanique élastique, la capacité du matériau à le stocker et à le libérer, et l'intégrité structurelle.
"Le haut module de résilience et la haute résistance sont vraiment surprenants, " a déclaré Seok-Woo Lee, chercheur principal de l'équipe de l'Université du Connecticut. "Notre matériau hybride peut offrir une excellente protection contre les chocs mécaniques et la résistance supérieure de la couche de surface garantit une excellente résistance à l'usure. La technique d'infiltration aura un grand impact dans les communautés de nanofabrication."
La collaboration continuera à peaufiner les propriétés structurelles et chimiques afin d'exploiter davantage ces matériaux et de les préparer pour des applications.
"La synthèse par infiltration est encore une technique relativement nouvelle, " Nam a déclaré. "Je suis ravi de ses futures applications dans la génération de nouveaux matériaux hybrides fonctionnels et de nanostructures inorganiques pour améliorer les performances de diverses détections, énergie, et les technologies environnementales."
