Que ce soit dans des matériaux high-tech innovants, puces informatiques plus puissantes, pharmaceutique ou dans le domaine des énergies renouvelables, les nanoparticules sont à la base de toute une série de nouveaux développements technologiques. En raison des lois de la mécanique quantique, de telles particules mesurant seulement quelques millionièmes de millimètre peuvent se comporter de manière complètement différente en termes de conductivité, optique ou de robustesse que le même matériau à l'échelle macroscopique. En outre, les nanoparticules ou nanoclusters ont une très grande surface catalytiquement efficace par rapport à leur volume. Pour de nombreuses applications, cela permet des économies de matière tout en maintenant les mêmes performances.

Des chercheurs de l'Institut de physique expérimentale (IEP) de l'Université de technologie de Graz ont mis au point une méthode d'assemblage de nanomatériaux à volonté. Ils laissent des gouttelettes d'hélium superfluide d'une température interne de 0,4 Kelvin (c'est-à-dire moins 273 degrés Celsius) voler à travers une chambre à vide et introduisent sélectivement des atomes ou des molécules individuels dans ces gouttelettes. "Là, ils fusionnent en un nouvel agrégat et peuvent se déposer sur différents substrats, " explique le physicien expérimentateur Wolfgang Ernst de la TU Graz. Il travaille sur cette soi-disant synthèse de gouttelettes d'hélium depuis vingt-cinq ans maintenant, l'a développé successivement pendant cette période, et a produit une recherche continue au plus haut niveau international, principalement joué dans le "Cluster Lab 3, " qui a été mis en place spécifiquement à cet effet à l'IEP.

Renforcement des propriétés catalytiques

Dans Nano-recherche , Ernst et son équipe rapportent maintenant sur la formation ciblée de ce qu'on appelle des amas core-shell en utilisant la synthèse de gouttelettes d'hélium. Les grappes ont un noyau d'argent de 3 nanomètres et une enveloppe d'oxyde de zinc de 1,5 nanomètre d'épaisseur. L'oxyde de zinc est un semi-conducteur qui est utilisé, par exemple, dans les détecteurs de rayonnement pour mesurer le rayonnement électromagnétique ou dans les photocatalyseurs pour décomposer les polluants organiques. La particularité de la combinaison de matériaux est que le noyau d'argent fournit une résonance plasmonique, c'est-à-dire qu'il absorbe la lumière et provoque ainsi une amplification élevée du champ lumineux. Cela met les électrons dans un état excité dans l'oxyde de zinc environnant, formant ainsi des paires électron-trou - de petites portions d'énergie qui peuvent être utilisées ailleurs pour des réactions chimiques, tels que les processus de catalyse directement sur la surface du cluster. "La combinaison des deux propriétés des matériaux augmente énormément l'efficacité des photocatalyseurs. De plus, il serait envisageable d'utiliser un tel matériau dans le fractionnement de l'eau pour la production d'hydrogène, " dit Ernst, nommer un domaine d'application.

Nanoparticules pour capteurs laser et magnétiques

En plus de la combinaison argent-oxyde de zinc, les chercheurs ont produit d'autres clusters noyau-coque intéressants avec un noyau magnétique des éléments fer, cobalt ou nickel et une coquille d'or. L'or a également un effet plasmonique et protège également le noyau magnétique d'une oxydation indésirable. Ces nanoclusters peuvent être influencés et contrôlés à la fois par des lasers et par des champs magnétiques externes et sont adaptés aux technologies de capteurs, par exemple. Pour ces combinaisons de matériaux, des mesures de stabilité dépendantes de la température ainsi que des calculs théoriques ont été effectués en collaboration avec le groupe de théorie IEP dirigé par Andreas Hauser et l'équipe de Maria Pilar de Lara Castells (Institut de physique fondamentale du Conseil national de recherche espagnol CSIC, Madrid) et peut expliquer le comportement aux transitions de phase telles que la formation d'alliages qui s'écarte des échantillons de matériaux macroscopiques. Les résultats ont été publiés dans le Journal de chimie physique .

Ernst espère maintenant que les résultats des expériences seront rapidement transférés dans de nouveaux catalyseurs "dès que possible".