Des chercheurs de l'ETH ont réussi à produire des nanocristaux constitués de deux métaux différents en utilisant un processus d'amalgamation par lequel un métal liquide pénètre dans un métal solide. Cette nouvelle technique étonnamment intuitive permet de produire une vaste gamme de nanocristaux intermétalliques avec des propriétés adaptées pour diverses applications.

Les nanocristaux sont des sphères de taille nanométrique constituées d'atomes régulièrement disposés. En raison de leurs propriétés avantageuses, ils sont à la hausse dans plusieurs technologies. Nanocristaux semi-conducteurs, par exemple, sont utilisés dans les écrans de télévision de nouvelle génération. Plus récemment, les nanocristaux dits intermétalliques, dans lequel deux métaux différents se combinent pour former un réseau cristallin, se sont fait un nom en promettant des applications améliorées et uniques. Ces applications vont de la catalyse au stockage de données et à la médecine.

En théorie, il existe des dizaines de milliers de combinaisons possibles de métaux qui pourraient constituer de tels nanocristaux, avec un grand nombre de propriétés matérielles différentes. Jusque là, cependant, il n'a été possible de fabriquer des nanocristaux qu'à partir de quelques tels appariements. Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Maksym Yarema et Vanessa Wood à l'Institut d'électronique a maintenant développé une nouvelle technique qui, en principe, permet de réaliser presque toutes les combinaisons possibles de nanocristaux intermétalliques. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Avancées scientifiques .

Méthode étonnamment intuitive

"Notre méthode est simple et intuitive, si intuitive, En réalité, que nous étions surpris que personne n'ait eu cette idée avant nous, " dit Yarema. Dans les procédures conventionnelles de production de nanocristaux constitués d'un seul métal, les atomes métalliques sont introduits sous forme moléculaire, par exemple sous forme de sels, en une solution dans laquelle se forment alors les nanocristaux. "Théoriquement, cela peut aussi être fait avec deux métaux différents, mais en pratique c'est difficile, voire impossible, combiner des métaux distinctement différents dans le réacteur, " explique Yarema. Par conséquent, les scientifiques de l'ETH ont eu recours à un procédé utilisé depuis des siècles :la fusion, un type particulier de fusion ou de mélange de métaux.

Métaux liquides

Les amalgames sont particulièrement connus en dentisterie, lorsqu'ils sont utilisés comme matériau de remplissage, et aussi de l'extraction de l'or. Dans les deux cas, du mercure liquide est ajouté pour dissoudre d'autres métaux (pour les obturations dentaires, un mélange de cuivre, zinc et argent). Cependant, l'amalgamation fonctionne également avec tout autre métal liquide. Outre le mercure, qui est liquide même à température ambiante, il existe un certain nombre de métaux avec des points de fusion relativement bas, comme le gallium (30 degrés centigrades), l'indium (157 degrés) ou l'étain (232 degrés).

Approche d'amalgame pour les nanocristaux

Yarema et ses collègues utilisent l'approche de fusion à l'échelle nanométrique. La réaction commence par la dispersion de nanocristaux contenant un seul métal, par exemple l'argent. Puis, les atomes du second métal — disons, gallium - sont ajoutés sous forme moléculaire (dans ce cas sous forme d'amides, un composé de carbone, hydrogène, et de l'azote), tandis que le mélange est chauffé à environ 300 degrés.

Initialement, la température élevée provoque la rupture des liaisons chimiques dans le gallium-amide, permettant au gallium liquide de s'accumuler sur les nanocristaux d'argent. Maintenant, le processus de fusion proprement dit commence, pendant laquelle le gallium liquide s'insinue dans l'argent massif. Au fil du temps, un nouveau réseau cristallin se forme, dans lequel des atomes d'argent et de gallium sont éventuellement régulièrement disposés. Ensuite, tout est refroidi à nouveau, et après dix minutes les nanocristaux sont prêts. « Nous sommes étonnés de l'efficacité de l'amalgamation à l'échelle nanométrique. Avoir un composant de métal liquide est la clé d'un alliage rapide et uniforme au sein de chaque nanocristal, " dit Yarema.

Processus contrôlable

En utilisant la même technique, les chercheurs ont déjà produit différents nanocristaux intermétalliques tels que l'or-gallium, cuivre-gallium et palladium-zinc. Le processus de fusion lui-même peut être dirigé avec précision. Par le nombre d'atomes secondaires, introduits dans la solution sous forme d'amides, la proportion des métaux dans les nanocristaux peut être contrôlée avec précision. Prenant l'exemple de l'or-gallium (symboles chimiques Au et Ga), les chercheurs ont montré qu'on pouvait ainsi produire des nanocristaux avec des proportions très différentes, comme 1:2 (AuGa 2 ), 1:1 (AuGa) ou 7:2 (Au 7 Géorgie 2 ). La taille des nanocristaux intermétalliques finaux peut également être prédite précisément à partir de la taille des nanocristaux initiaux et de l'augmentation de taille due au second métal.

Nanocristaux sur mesure pour les applications

Les chercheurs prévoient un grand potentiel d'applications technologiques en raison de la contrôlabilité exacte de la composition et de la taille des nanocristaux ainsi que de la possibilité de combiner les métaux presque à volonté. "Parce que la synthèse par amalgame de nanocristaux permet tant de nouvelles compositions, nous avons hâte de les voir à l'œuvre en catalyse améliorée, batteries plasmoniques ou lithium-ion, " dit Yarema. Des catalyseurs à base de nanocristaux, par exemple, peuvent être précisément adaptés et optimisés pour un processus chimique particulier qu'ils sont censés accélérer.