Des scientifiques du laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis et leurs collaborateurs de l'Iowa State University ont développé une nouvelle approche pour générer des couches, difficile à combiner, solides hétérostructurés. Matériaux hétérostructurés, composé de couches de blocs de construction dissemblables affichent des propriétés de transport électronique et magnétiques uniques qui sont régies par des interactions quantiques entre leurs blocs de construction structurellement différents, et ouvrir de nouvelles voies pour les applications électroniques et énergétiques.

La technique pour les fabriquer est simple, et contre-intuitif - cela implique de casser les matériaux vierges pour en construire de nouveaux. Appelé mécanochimie, la technique utilise le broyage à billes pour séparer les solides structurellement incommensurables - ceux qui n'ont pas d'arrangements atomiques correspondants - et les réassembler en trois assemblages hétérogènes "inadaptés" tridimensionnels uniques (3-D). Briser les choses ensemble par fraisage semble être le moyen le moins plausible d'obtenir un ordre atomique, mais il s'est avéré être plus réussi que les scientifiques eux-mêmes ne l'avaient imaginé.

"Un de mes collègues a remarqué que nos idées seraient soit naïves, soit brillantes, " a déclaré Viktor Balema, Scientifique principal du laboratoire Ames. "Il y a quelque temps, nous avons découvert le remaniement stochastique des dichalcogénures métalliques en couches (TMDC) en hétéro-assemblages 3-D pendant le broyage mécanique. Cela nous a complètement surpris et a suscité notre curiosité quant à la possibilité d'un ordre atomique par traitement mécanochimique. "

Les chalcogénures métalliques sont souvent uniques dans leurs propriétés et leurs utilisations. Ils peuvent afficher des comportements de transport d'électrons remarquables allant de l'absence totale de conductivité électrique à la supraconductivité, propriétés photo- et thermoélectriques, pliabilité mécanique et, surtout, la capacité à former des monocouches bidimensionnelles stables, hétérostructures tridimensionnelles, et d'autres matériaux quantiques à l'échelle nanométrique.

"Nanostructures de composés stratifiés inadaptés (MLC) sous forme de nanotubes, les nanofilms (ferecristaux) et les feuilles exfoliées sont étudiés depuis plus d'une décennie et offrent un riche domaine de recherche et peut-être aussi des applications passionnantes dans les énergies renouvelables, catalyse et optoélectronique, " a déclaré Reshef Tenne de l'Institut des sciences Weizmann, Israël, et un expert en synthèse de nanostructures. « Un obstacle à leur application à grande échelle est la température élevée et les longs processus de croissance, qui sont prohibitifs pour les applications à grande échelle. Le procédé mécanochimique développé par le groupe Balema à Ames Lab, en plus d'être stimulant scientifiquement, nous rapproche un peu plus de la réalisation d'applications terre-à-terre pour ces matériaux intrigants."

Typiquement, ces matériaux complexes, en particulier ceux avec les structures et les propriétés les plus inhabituelles, sont faites en utilisant deux approches synthétiques différentes. La première, connue sous le nom de synthèse descendante, utilise des blocs de construction bidimensionnels (2-D) pour les assembler, utilisant des techniques de fabrication additive. La seconde approche, défini au sens large comme une synthèse ascendante, utilise des réactions chimiques par étapes impliquant des éléments purs ou de petites molécules qui déposent des monocouches individuelles les unes sur les autres. Les deux sont laborieux et présentent d'autres inconvénients tels qu'une faible évolutivité pour une utilisation dans des applications du monde réel.

L'équipe du laboratoire Ames a combiné ces deux méthodes en un seul processus mécanochimique qui exfolie simultanément, se désintègre et recombine les matériaux de départ en de nouvelles hétérostructures même si leurs structures cristallines ne s'adaptent pas bien (c'est-à-dire inadaptées). Calculs théoriques (DFT), soutenu par les résultats de la diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission à balayage, Spectroscopie Raman, études de transport d'électrons et, Pour la toute première fois, expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide, a expliqué le mécanisme de la réorganisation des matériaux précurseurs et les forces motrices derrière la formation de nouvelles hétérostructures 3-D au cours du traitement mécanique.

"La spectroscopie RMN du solide est une technique idéale pour la caractérisation des matériaux pulvérulents issus de la mécanochimie, " a déclaré Aaron Rossini, Scientifique du laboratoire Ames et professeur de chimie à l'Iowa State University. "En combinant les informations obtenues à partir de la spectroscopie RMN à l'état solide avec d'autres techniques de caractérisation, nous sommes en mesure d'obtenir une image complète des hétérostructures 3-D."

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "Génération sans précédent d'hétérostructures 3-D par désassemblage mécanochimique et réorganisation de chalcogénures métalliques incommensurables, " rédigé par Oleksandr Dolotko, Ihor Z. Hlova, Arjun K. Pathak, Yaroslav Moudryk, Vitalij K. Pecharsky, Prashant Singh, Duane D. Johnson, Brett W. Boote, Jingzhe Li, Emily A. Smith, Scott L. Carnahan, Aaron J. Rossini, Lin Zhou, Ely M. Eastman, et Viktor P. Balema; et publié dans Communication Nature .