En plus de leurs principaux composants, les propriétés des matériaux cristallins et nanoporeux dépendent souvent de manière cruciale des atomes invités ou des ions intégrés dans les minuscules pores de leur structure de réseau. Cela s'applique aussi bien aux matériaux de haute technologie utilisés dans la technologie des capteurs ou de séparation qu'aux matériaux naturels. L'aigue-marine, une pierre précieuse bleutée, par exemple, serait incolore sans ces composants invités.
Il est difficile de déterminer le type et la position des composants invités, car de nombreux matériaux réagissent de manière sensible aux émissions de rayonnement des microscopes électroniques.
Grâce à une nouvelle méthode développée par une équipe dirigée par Daniel Knez et Ferdinand Hofer de l'Institut de microscopie électronique et de nanoanalyse de l'Université technologique de Graz (TU Graz), cela peut désormais être réalisé avec moins de rayonnement et est donc beaucoup plus facile. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Communications Materials.
"Le caractère unique de notre méthode réside dans le fait que nous pouvons déterminer la distribution tridimensionnelle des ions dans des canaux cristallins ou des nanopores sur la base d'une seule image au microscope électronique", explique Daniel Knez.
Les chercheurs ont développé leur méthode en analysant la pierre précieuse aigue-marine. Jusqu'à présent, on ne savait pas exactement où se trouvait le fer qui donne à la pierre sa couleur bleue dans le cristal.
Une hypothèse était que des atomes de fer individuels seraient coincés dans les pores et créeraient cet effet à partir de là. Mais cela a maintenant été réfuté. Dans leurs expériences, les chercheurs ont établi sans aucun doute qu’il n’y a pas de fer dans les pores, mais plutôt des ions césium. Les atomes de fer qui confèrent la couleur sont situés à proximité immédiate des ions césium, mais sont intégrés dans les colonnes du réseau cristallin.
Une seule image avec une résolution atomique comme base
Pour leurs expériences, les chercheurs ont enregistré une image dite de contraste Z du cristal d’aigue-marine à résolution atomique à l’aide du microscope ASTEM, un microscope électronique à transmission et à balayage. Le faisceau électronique du microscope ASTEM est focalisé sur la surface de l'échantillon cristallin, pénétrant également dans les pores du matériau. S'il atteint les ions qui y sont stockés, ils apparaissent sous forme de points lumineux sur l'image.
Sur la base de la force du contraste avec les pores vides et les structures de réseau voisines, les chercheurs peuvent déterminer le type d'ions incorporés et également estimer à quelle profondeur ils se trouvent dans les pores.
Ces données ont été analysées statistiquement et comparées à un grand nombre de simulations de la structure cristalline afin de pouvoir estimer les différents facteurs influençant le signal mesuré.
Outre la recherche fondamentale, la nouvelle méthode convient également au développement ciblé de nouveaux matériaux. "Notre méthode peut être utilisée pour déterminer avec précision la position des éléments dopants, c'est-à-dire des additifs ciblés contrôlant la fonction, dans des matériaux nanoporeux tels que les zéolites ou les composés à ossature métallo-organique", explique Ferdinand Hofer.
Cela facilite l'optimisation des catalyseurs (à un seul atome) et des électrolytes solides dans les futures batteries ou le développement d'applications biomédicales pour contrôler l'absorption des médicaments.
Plus d'informations : Daniel Knez et al, Distribution tridimensionnelle des atomes individuels dans les canaux du béryl, Matériaux de communication (2024). DOI :10.1038/s43246-024-00458-8
Fourni par l'Université de technologie de Graz
