Le chercheur David Rosenberg examine des images d'une poudre blanche sous un puissant microscope électronique à balayage. Près, la poudre ressemble à du gravier grossier, un tas de morceaux similaires mais irréguliers. Puis il regarde une deuxième image - le même matériel produit par son collègue Hongyou Fan au lieu d'être acheté dans un catalogue - et il voit parfaitement lisse, sphères uniformes.

"Je n'ai jamais rien vu de tel. À cette échelle, personne ne peut contrôler aussi bien la forme ou la taille. Cette technologie fait les deux."

La poudre uniforme et d'autres produits similaires produits par les laboratoires nationaux Sandia ne sont pas seulement beaux, ils surpassent les variétés commerciales utilisées pour déclencher des réactions chimiques dans les cellules solaires et pourraient être utilisés pour produire de l'hydrogène à combustion propre. S'il est développé pour l'industrie, la nouvelle technologie, objet d'un article récent dans Nano Letters, pourrait améliorer les performances tout en réduisant les coûts de ces catalyseurs et d'autres utilisés partout, du nettoyage de l'environnement au traitement du cancer.

Son ingrédient clé :le détergent.

En réalité, c'est une version de qualité commerciale un peu comme le savon à vaisselle domestique, moins les colorants et les parfums. Ventilateur, l'inventeur de la technologie à base de détergent, et son équipe du laboratoire commun des matériaux avancés de l'Université du Nouveau-Mexique utilisent l'ingrédient actif dans des solutions de nettoyage pour piéger les matières premières, tout comme la graisse, les encapsuler dans des cages constituées de molécules détergentes. La cage agit comme un moule moléculaire qui dicte la taille et la forme (ou la morphologie) du matériau qui se forme à l'intérieur. Retirez le détergent, et tu te retrouves propre, particules uniformes.

"Normalement, vous auriez très peu de contrôle sur la réaction qui produit ces matériaux, " dit Fan. "Cela conduit à une morphologie irrégulière."

Cela peut être un problème pour les ingénieurs qui utilisent ces matériaux. Certains catalyseurs ne fonctionnent que s'ils sont agencés de manière spécifique au niveau moléculaire, et certaines particules absorbant la lumière utilisées dans les cellules solaires absorbent plus de lumière solaire à certaines tailles que d'autres. Lorsque les particules individuelles sont irrégulières, seule une fraction du matériau en vrac fonctionne comme prévu. Le reste est poids mort, ce qui rend également difficile la prédiction des performances du catalyseur.

Parce que les particules de Fan sont uniformes et étroitement contrôlées, les ingénieurs pourraient utiliser moins de matériau et obtenir le même effet que les poudres conventionnelles. Dans une étude, La version fan d'un photocatalyseur, qui pourrait être utilisé pour nettoyer les eaux usées, décomposait cinq fois plus de polluants que son homologue commercial. Dans son dernier article, il a démontré des améliorations similaires dans un matériau qui produit catalytiquement de l'hydrogène.

La cohérence améliore les prévisions de performances

Rosenberg étend et applique la technologie à ses recherches sur les explosifs pour la sécurité nationale, où les matériaux imprévisibles sont inacceptables. Aux côtés d'une équipe qui améliore les entrées des modèles informatiques, "nous avons vu un incroyable, application puissante car elle alimente nos efforts de modélisation, " il dit.

Sandia développe des simulations informatiques afin que Rosenberg et son équipe n'aient pas à construire et tester physiquement des pièces à chaque fois. Mais les hypothèses qui sont introduites dans ces modèles peuvent compromettre le résultat.

Pour économiser des ressources informatiques et du temps, une simulation peut supposer que les particules ont des formes plus simples ou sont plus cohérentes qu'elles ne le sont réellement. Mais, il ne prédit jamais parfaitement comment agit le matériel réel. Les poudres uniformes de Fan alignent le matériau avec le modèle, offrant à Rosenberg la possibilité de contrôler la structure des particules afin que de nombreuses hypothèses mathématiques disparaissent.

« On pourrait regarder des modèles qui décrivent parfaitement les caractéristiques physiques de la poudre, et cela nous donnerait un outil incroyable à la fois pour valider les modèles existants et pour en développer de nouveaux."

Changer le détergent, changer la forme

Fan optimise également les matériaux pour des applications potentielles telles que la conversion d'énergie dans les cellules solaires, la photothérapie pour le traitement du cancer et la production d'hydrogène pour des sources de carburant propres en créant des particules bien connues sous de toutes nouvelles formes. Un détergent peut entraîner des sphères, mais Fan peut l'échanger contre un détergent qui produit des disques, bâtonnets ou octaèdres. Dans l'étude qui a mesuré les performances photocatalytiques, il a testé huit formes contre la contrepartie commerciale avant de couronner la forme la plus efficace.

Mais si loin, Fan a largement découvert ces formes par essais et erreurs. Il a donc demandé l'aide de Younan Xia, professeur au Georgia Institute of Technology et pionnier de la synthèse de nanomatériaux pour accélérer ses travaux.

"Nous mesurons des cinétiques fondamentales, à quelle vitesse les atomes ou les molécules se déposent à la surface des nanoparticules en croissance, " dit Xia. " La structure finale des particules dépend de ce taux par rapport au taux de diffusion de surface, " ou la vitesse à laquelle les molécules s'éloignent.

Xia et Fan travaillent ensemble pour développer une recette pour reproduire certaines formes basées sur le détergent, Température, pH et concentration. Comme tourner des boutons, ils pourraient ajuster ces entrées pour obtenir une sortie fiable.

"Si vous n'avez pas de bouton quantitatif, vous pouvez effectuer l'expérience cent fois avant d'obtenir la bonne forme, " dit Xia. " Avec un, nous espérons que nous pourrons y arriver après le premier ou le deuxième essai."