Une équipe de recherche du PNNL a découvert que les forces atomiques considérées comme "faibles" peuvent en réalité exercer plus de contrôle qu'on ne le pensait. Et cette nouvelle découverte, publié le 25 février dans la revue Communication Nature , pourrait aider à mieux prévoir et éventuellement contrôler la fabrication de matériaux semi-conducteurs utilisés dans l'électronique et d'autres applications industrielles.

Les scientifiques des matériaux Lili Liu et Elias Nakouzi ont dirigé une équipe multidisciplinaire qui a exploré la formation d'oxyde de zinc, une substance incroyablement polyvalente qui est utilisée dans une gamme de produits, de la crème contre l'érythème fessier aux semi-conducteurs. Alors que la formule moléculaire (ZnO) reste la même, la façon dont les molécules s'alignent détermine leurs propriétés.

"Traditionnellement, on pense que la croissance cristalline se produit par addition d'atomes individuels, " a déclaré Liu. " Mais les cristaux peuvent aussi pousser d'une autre manière. Les nanoparticules individuelles peuvent devenir les éléments constitutifs qui s'attachent les unes aux autres pour former un cristal plus gros. C'est ce qu'on appelle l'attachement orienté, et nous avons étudié son fonctionnement pendant la croissance de l'oxyde de zinc."

Les scientifiques ont utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission extrêmement haute résolution et de simulations mathématiques pour expliquer leurs découvertes. La synergie unique entre ces outils a permis aux chercheurs d'aborder le problème sous plusieurs angles.

"Les particules sont comme des mini-aimants, avec une extrémité positive l'autre négative, formant ce qu'on appelle un dipôle", a déclaré Nakouzi. "Nous avons découvert qu'un faible, une force motrice à longue portée appelée interaction dipôle-dipôle peut aligner les particules sur des distances plus longues que ce que l'on pensait possible. Parce qu'un dipôle agit comme un aimant, cette interaction crée un couple qui aligne les particules. Puis, quand ils sont assez proches l'un de l'autre, ils se mettent en place. Ce mécanisme n'avait jamais été visualisé auparavant."

Pour assurer leur confiance dans l'observation, les scientifiques ont optimisé les concentrations de solvant et de sel, qui a empêché les cristaux de nanoparticules de se dissoudre et a permis l'observation de l'attachement des particules.

La recherche apporte des réponses à des questions de longue date sur les mécanismes de cristallisation, cristallisation spécifiquement non classique par fixation orientée. Sa nature fondamentale signifie qu'elle n'est pas immédiatement traduisible en développement de produits ou en applications technologiques, et les résultats devront être confirmés dans d'autres types de structures cristallines, dit Nakouzi. Mais la cristallisation se situe au carrefour de multiples problèmes de recherche, et l'équipe de recherche anticipe une grande importance de ces résultats dans les applications de synthèse de matériaux et de gestion environnementale.

"Les approches de fabrication de matériaux basées sur l'assemblage de nanoparticules présentent un potentiel énorme pour obtenir des propriétés nouvelles ou améliorées pour un large éventail d'applications énergétiques, de l'énergie solaire aux batteries en passant par les catalyseurs, " a déclaré James De Yoreo, un Battelle Fellow au PNNL et scientifique senior de l'équipe de recherche. « Une compréhension du fonctionnement du processus d'assemblage et de son contrôle est essentielle pour réaliser ce potentiel. Les résultats de cette étude révèlent l'un des contrôles clés de l'assemblage de nanoparticules pour une classe importante de matériaux semi-conducteurs et suggèrent une approche simple pour diriger le processus."