Il y a trois ans, quand Richard Robinson, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, était en congé sabbatique à l'Université hébraïque d'Israël, il a demandé à un étudiant diplômé de lui envoyer des nanoparticules d'une taille spécifique.

"Quand ils m'ont rejoint, Je les ai mesurés avec le spectromètre et j'ai dit, 'Attendre, tu m'as envoyé les plus petites particules au lieu des plus grosses.' Et il a dit, 'Non, Je t'ai envoyé les plus gros, '" se souvient Robinson, de sa conversation avec son conseiller Curtis Williamson, doctorant en génie chimique et biomoléculaire. "Nous avons réalisé qu'ils avaient dû changer pendant qu'ils étaient en vol. Et cela a déclenché une cascade de questions et d'expériences qui nous ont conduits à cette nouvelle découverte."

Ils en ont déduit que les particules s'étaient transformées lors de leur voyage d'Ithaque à Jérusalem. Cette réalisation a conduit à la découverte de l'isomérisation inorganique, dans lequel les matériaux inorganiques peuvent basculer entre des états discrets presque instantanément – ​​plus rapidement que la vitesse du son. La découverte comble le fossé entre ce qui est connu sur les changements de phase dans les molécules organiques, tels que ceux qui rendent la vue possible, et en vrac, comme la transition du graphite en diamants.

Leur découverte était surprenante car elle impliquait que les matériaux inorganiques pouvaient se transformer comme des molécules organiques, dit Robinson, co-auteur de l'article, "Isomérisation chimiquement réversible des amas inorganiques, " qui a publié le 15 février dans Science .

« Nous avons constaté que si vous réduisez suffisamment la matière inorganique, il peut facilement faire des allers-retours entre deux phases discrètes, initié par de petites quantités d'alcool ou d'humidité sur la surface, " dit Robinson. " Pendant le vol, il a dû y avoir de l'humidité dans la soute, et les échantillons ont changé de phase."

Williamson est le premier auteur de l'article. Les auteurs principaux sont Robinson; Tobie Hanrath, professeur agrégé à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; et Uri Banin, professeur de chimie à l'Université hébraïque. Douglas Nevers, doctorat '18, André Nelson, doctorant en science et ingénierie des matériaux, et Ido Hadar de l'Université hébraïque y ont également contribué.

"Nous avons fait le pont entre les deux mondes entre de gros matériaux qui changent plus lentement, et petit, des matériaux organiques qui peuvent aller et venir de manière cohérente, entre deux états, " a déclaré Robinson. " Il est surprenant que nous ayons vu une transformation instantanée d'un état à un autre dans un matériau inorganique, et il est surprenant qu'il soit initié par une simple réaction de surface."

Isomérisation - la transformation d'une molécule en une autre molécule avec les mêmes atomes, juste dans un arrangement différent - est de nature commune. Souvent, il est déclenché par l'ajout d'énergie, comme lorsque la lumière fait basculer une molécule dans la rétine, vision habilitante; ou comment l'huile d'olive, lorsqu'il est chauffé trop haut, isomérise dans la forme malsaine connue sous le nom de gras trans. Les matériaux en vrac tels que le graphite peuvent également changer de phase, mais ils nécessitent beaucoup plus d'énergie qu'au niveau moléculaire et le changement se fait plus progressivement, avec le changement s'étendant à travers la substance plutôt qu'une transformation instantanée.

Autrefois, il a été découvert que les nanoparticules plus grosses changent de phase d'une manière plus proche de la façon dont les matériaux en vrac changent que des molécules. Mais lorsque l'équipe Cornell a examiné des amas d'atomes encore plus petits à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), ils ont observé pour la première fois le changement rapide entre les états discrets.

"Nous voyons enfin qu'il existe un nouveau régime où vous pouvez basculer de manière cohérente d'un état à un autre instantanément, " dit Hanrath. " Si vous les faites assez petits, les matériaux inorganiques peuvent basculer d'avant en arrière très facilement. C'est une révélation."

Robinson a déclaré que les chercheurs n'auraient pas été en mesure de déterminer avec précision les positions des atomes sans CHESS, où ils ont effectué des expériences de diffusion totale dans lesquelles ils ont examiné toutes les diffusions de rayons X de l'amas, leur permettant de localiser avec précision les emplacements des atomes.

Ils ont également été aidés par une nouvelle technique qu'ils ont développée pour créer des amas de taille magique - ainsi appelés parce qu'ils ont le nombre "parfait" d'atomes et qu'aucun autre atome ne peut être ajouté, ce qui les rend extrêmement stables.

"Nous avons pu créer un cluster de taille magique très pur, " dit Robinson. " A cause de ça, quand il réagit avec l'alcool ou l'eau, vous voyez une transformation très pure" d'un état discret à un autre.

Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les applications futures possibles incluent l'utilisation de ces particules comme commutateurs dans l'informatique ou comme capteurs, dit Robinson. La découverte pourrait également avoir des utilisations liées à l'informatique quantique ou comme germe pour la génération de nanoparticules plus grosses.