Lorsque les atomes de carbone s'empilent dans un cristal tridimensionnel parfaitement répétitif, ils peuvent former des diamants précieux. Disposé d'une autre manière, en feuilles plates répétitives, le carbone rend le graphite gris brillant que l'on trouve dans les crayons. Mais il existe d'autres formes de carbone qui sont moins bien comprises. Le carbone amorphe - généralement un matériau noir de suie - n'a pas de structure moléculaire répétitive, ce qui le rend difficile à étudier.

Aujourd'hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont utilisé un nouveau cadre pour comprendre les propriétés électroniques du carbone amorphe. Leurs découvertes ont permis aux scientifiques de mieux prédire comment le matériau conduit l'électricité et absorbe la lumière, et ont été publiés dans Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Nous devons comprendre comment le carbone désordonné fonctionne au niveau moléculaire pour pouvoir concevoir ce matériau pour des applications telles que la conversion de l'énergie solaire", a déclaré Giulia Galli, professeur de la famille Liew en génie moléculaire et professeur de chimie à l'Université de Chicago. Galli occupe également un poste de scientifique senior au Laboratoire national d'Argonne, où elle est directrice du centre MICCoM.

Pendant des décennies, les scientifiques ont modélisé la façon dont les atomes se déplacent dans le carbone amorphe en utilisant les lois de la mécanique classique - l'ensemble d'équations qui décrivent, par exemple, comment une voiture accélère ou comment une balle tombe dans l'air. Pour certains atomes lourds du tableau périodique, ces équations classiques sont une bonne approximation pour capturer avec précision de nombreuses propriétés des matériaux. Mais pour de nombreuses formes de carbone, et les carbones amorphes en particulier, l'équipe dirigée par Galli a découvert que l'utilisation de ces équations classiques pour décrire le mouvement des atomes est insuffisante.

"Le carbone amorphe possède de nombreuses propriétés qui le rendent précieux pour un certain nombre d'applications, mais la modélisation et la simulation de ses propriétés au niveau fondamental sont difficiles", a déclaré le chercheur postdoctoral Arpan Kundu, Ph.D., le premier auteur de l'article.

Galli a passé les trente dernières années à développer et à appliquer des méthodes de mécanique quantique pour modéliser et simuler les propriétés des molécules et des solides. Elle a d'abord étudié le carbone amorphe au tout début de sa carrière, et elle a récemment relevé le défi avec de nouvelles connaissances.

Galli, Kundu et le chercheur en physique Yunxiang (Tony) Song ont réalisé de nouvelles simulations des propriétés électroniques du carbone amorphe, intégrant cette fois les principes quantiques pour décrire les mouvements des électrons et des noyaux des atomes de carbone. Ils ont découvert que l'utilisation de la mécanique quantique pour les deux, plutôt que la mécanique classique pour les noyaux, est essentielle pour prédire avec précision les propriétés du carbone amorphe.

Par exemple, en utilisant leurs modèles de mécanique quantique raffinés, l'équipe PME a prédit une conductivité électrique plus élevée que celle à laquelle on aurait pu s'attendre autrement.

Les résultats rapportés dans le PNAS sont utiles non seulement pour comprendre le carbone amorphe, mais également d'autres solides amorphes similaires, ont déclaré les chercheurs. Mais ils ont également souligné qu'il reste encore beaucoup à faire :les matériaux carbonés désordonnés peuvent présenter des propriétés radicalement différentes en fonction de leur densité, qui à son tour dépend de la méthode utilisée pour préparer le matériau.

"Quand quelque chose est arrangé dans un cristal, vous savez exactement quelle est sa structure, mais une fois qu'il est désordonné, il peut être désordonné de plusieurs façons possibles", a déclaré Kundu.

L'équipe prévoit de poursuivre l'étude du carbone amorphe et de ses applications potentielles. + Explorer plus loin

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