Une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université du Minnesota Twin Cities a découvert un processus révolutionnaire en une étape pour créer des matériaux aux propriétés uniques, appelés métamatériaux. Leurs résultats montrent la possibilité réaliste de concevoir des structures auto-assemblées similaires avec le potentiel de créer des nanostructures "construites sur commande" pour une large application dans les dispositifs électroniques et optiques.

La recherche a été publiée et présentée sur la couverture de Nano lettres , une revue scientifique à comité de lecture publiée par l'American Chemical Society.

En général, les métamatériaux sont des matériaux fabriqués en laboratoire afin de fournir des propriétés physiques, chimique, électrique, et les propriétés optiques autrement impossibles à trouver dans les matériaux naturels. Ces matériaux peuvent avoir des propriétés uniques qui les rendent idéaux pour une variété d'applications, des filtres optiques et dispositifs médicaux à l'insonorisation des aéronefs et à la surveillance des infrastructures. Habituellement, ces matériaux à l'échelle nanométrique sont minutieusement produits dans un environnement de salle blanche spécialisé pendant des jours et des semaines dans un processus de fabrication en plusieurs étapes.

Dans cette nouvelle recherche, une équipe de l'Université du Minnesota étudiait un matériau en couche mince appelé stannate de strontium ou SrSnO3. Au cours de leurs recherches, ils ont remarqué la formation surprenante de motifs en damier à l'échelle nanométrique similaires aux structures de métamatériaux fabriquées dans le coûteux, processus en plusieurs étapes.

"Au début, nous avons pensé que cela devait être une erreur, mais s'est vite rendu compte que le motif périodique est un mélange de deux phases du même matériau avec des structures cristallines différentes ", a déclaré Bharat Jalan, l'auteur principal de l'étude et un expert en synthèse de matériaux qui est titulaire de la chaire Shell au département de génie chimique et de science des matériaux de l'Université du Minnesota. "Après avoir consulté des collègues de l'Université du Minnesota, Université de Géorgie, et l'Université de la ville de New York, nous avons réalisé que nous avions peut-être découvert quelque chose d'assez spécial qui peut potentiellement avoir des applications uniques."

Le matériau s'était spontanément organisé en une structure ordonnée au fur et à mesure qu'il passait d'une phase à l'autre. Au cours de ce qu'on appelle un processus de « transition de phase structurelle de premier ordre », le matériel est passé à une phase mixte dans laquelle certaines parties du système ont terminé la transition et d'autres non.

"Ces motifs périodiques à l'échelle nanométrique sont la conséquence directe de la transition de phase structurelle de premier ordre dans ce matériau, " a déclaré Richard James, professeur d'ingénierie aérospatiale et de mécanique de l'Université du Minnesota, co-auteur de l'étude et professeur distingué de l'Université McKnight. "Pour la première fois, notre travail permet une multitude de possibilités d'utilisation de transformations de phase structurelles réversibles avec des systèmes nanoélectroniques et photoniques."

En réalité, l'équipe a démontré un processus pour la première fois, auto-assemblé, nanostructure accordable pour créer des métamatériaux en une seule étape. Les chercheurs ont pu ajuster la capacité de stocker la propriété de charge électrique dans un seul film en utilisant la température et la longueur d'onde du laser. Ils ont effectivement créé un matériau de cristal photonique variable avec une efficacité de 99%.

À l'aide de microscopes électroniques à haute résolution, les chercheurs ont confirmé la structure unique du matériau.

"Nous avons observé que les frontières entre ces phases cristallographiques étaient nettement définies à l'échelle atomique, ce qui est remarquable pour un processus auto-assemblé, " a déclaré le professeur André Mkhoyan, un co-auteur de l'étude, un expert en microscopie électronique avancée, et la chaire Ray D. et Mary T. Johnson/Mayon Plastics du Département de génie chimique et de science des matériaux de l'Université du Minnesota.

Les chercheurs se tournent maintenant vers les applications futures de leur découverte dans les dispositifs optiques et électroniques.

« Quand nous avons commencé cette recherche, nous n'avons jamais pensé à ces applications. Nous avons été guidés par l'étude fondamentale de la physique du matériau, " dit Jalan. " Maintenant, Tout à coup, nous semblons avoir ouvert un tout nouveau domaine de recherche, qui est motivé par la possibilité de nombreuses applications nouvelles et passionnantes."