Imaginez si vous pouviez regarder une petite quantité d'un élément chimique non identifié - moins de 100 atomes - et savoir quel type de matériau l'élément deviendrait en grande quantité avant de voir réellement la plus grande accumulation.

Cette pensée a longtemps animé l'œuvre de Julius Jellinek, scientifique principal émérite dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE). Sa récente découverte avec son collaborateur de longue date Koblar Jackson, professeur au Département de physique de la Central Michigan University, a le potentiel d'avoir un impact considérable sur la discipline de la science à l'échelle nanométrique.

Selon Jellinek, la classification des éléments et des matériaux en vrac en différents types - métaux, semi-conducteurs et isolants – est bien établi et compris. Mais l'identification des types de matériaux à l'échelle nanométrique n'est pas si simple. En réalité, même si le terme « nanomatériaux » est largement utilisé, la science des matériaux à l'échelle nanométrique n'est pas encore pleinement développée.

"Éléments et composés en très petites quantités, ou nanoquantités, se comportent très différemment de leurs homologues en vrac, " expliqua Jellinek. Par exemple, de petits amas atomiques d'éléments qui sont des métaux en grandes quantités ne prennent des caractéristiques métalliques qu'à mesure qu'ils grandissent.

Ce phénomène est connu sous le nom de transition induite par la taille vers la métallicité, et cela a incité Jellinek et Jackson à demander :est-il possible de prédire quel type de matériau un élément non identifié sera en grandes quantités uniquement sur la base des propriétés qu'il présente sur une plage limitée du régime de taille subnano à nano ?

La réponse s'est avérée catégorique, et quelque peu surprenant, "Oui."

Dans leur papier, "Universality in size-driven evolution to bulk polarisability of metals" publié sous forme de communication le 7 octobre 2018, problème de Nanoéchelle , Jellinek et Jackson ont montré qu'en utilisant leur analyse de polarisabilité au niveau atomique, développée précédemment, ils pourraient prédire si un élément non identifié serait un métal ou un non-métal en grandes quantités en examinant les propriétés de polarisabilité de ses petits amas. (La polarisabilité décrit comment les systèmes et les matériaux réagissent à un champ électrique externe.)

De plus, si un élément non identifié sera un métal en vrac, en utilisant les mêmes données de polarisabilité de petite taille, on peut établir son identité chimique exacte.

Une autre découverte frappante rapportée dans l'article est que les amas de tous les éléments métalliques évoluent vers l'état métallique en vrac de manière universelle, comme mesuré par une caractéristique basée sur la polarisabilité, Jellinek et Jackson appellent le "degré de métallicité". Jellinek a déclaré:"Nous avons introduit une nouvelle constante universelle et de nouvelles équations d'échelle universelles dans la physique des métaux."

Les nouvelles équations de mise à l'échelle permettent aux scientifiques de déterminer facilement et directement la polarisabilité de n'importe quel groupe de taille de n'importe quel élément métallique en fonction de la polarisabilité en vrac correspondante de l'élément. Autrefois, cela aurait nécessité des calculs longs – et coûteux – pour chaque cas individuel. "Ce qui aurait pris des jours, des semaines voire des mois pour couvrir une gamme de tailles prend maintenant une fraction de seconde en utilisant ces équations universelles, " a déclaré Jellinek.

Peut-être le plus important, l'étude représente une étape majeure dans la construction des fondements de la science des matériaux à l'échelle nanométrique ; il apporte une contribution fondamentale à la compréhension de l'évolution de la taille vers l'état métallique massif. (Jellinek a déclaré que l'étude comprend une disposition pour d'éventuelles exceptions - ce qu'il appelle des "métaux exotiques" - s'ils devaient être trouvés à l'avenir.)

Pour Jellinek personnellement, après plus de 31 ans passés à Argonne et ayant récemment assumé un poste émérite, la découverte a été particulièrement satisfaisante – et surprenante, parce qu'à l'origine, lui et Jackson s'attendaient à trouver autre chose.

"Au départ, nous espérions établir des points communs à plus petite échelle au sein de différents groupes d'éléments métalliques, et nous avons été déçus que les résultats n'aient pas répondu à cette attente, " dit-il. " Mais ensuite, nous avons vu que les différents groupes se comportaient de manière universelle. Dans la science, quand quelque chose émerge différemment de ce à quoi vous vous attendez qui s'avère souvent nouveau et intéressant. Cependant, il est très rare de découvrir quelque chose d'universel."

Jellinek a qualifié le résultat de l'une des plus belles choses qu'il ait faites au cours de sa longue et distinguée carrière, ajoutant :« C'est pourquoi c'est amusant d'être un scientifique. Lorsque vous obtenez quelque chose de fondamental et de vraiment nouveau, c'est une récompense que rien d'autre ne peut remplacer. La tâche suivante consiste à essayer de découvrir les points communs possibles, peut-être même l'universalité, dans l'évolution de la taille à l'état en vrac pour les éléments qui ne sont pas des métaux."