Une percée prometteuse: Des nanocristaux en amalgame
Les nanocristaux sont des sphères de taille nanométrique constituées d'atomes disposés régulièrement. En raison de leurs propriétés avantageuses, ils sont en plein essor dans plusieurs technologies. Les nanocristaux de semi-conducteurs, par exemple, sont utilisés dans les écrans de télévision de nouvelle génération. Plus récemment, les nanocristaux dits intermétalliques, dans lesquels deux métaux différents se combinent pour former un réseau cristallin, se sont fait un nom car ils promettent 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 composer de tels nanocristaux, avec un nombre correspondant de propriétés matérielles différentes. Jusqu'à présent, il n'a toutefois été possible de fabriquer des nanocristaux qu'à partir d'un petit nombre de ces combinaisons. Une équipe de chercheur·ses de l'ETH Zurich, dirigée par Maksym Yarema et Vanessa Wood de l'Institut d'électronique, a mis au point une nouvelle technique qui permet, en principe, de réaliser presque toutes les combinaisons possibles de nanocristaux intermétalliques. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Science Advances.
Une méthode étonnamment intuitive
«Notre méthode est simple et intuitive - si intuitive, en fait, que nous avons été surpris·es que personne n'ait eu cette idée avant nous», déclare Maksym Yarema. Dans les procédures classiques de production de nanocristaux constitués d'un seul métal, les atomes métalliques sont introduits sous forme moléculaire, par exemple sous forme de sels, dans une solution dans laquelle se forment ensuite les nanocristaux. «En théorie, cela peut également se faire avec deux métaux différents, mais dans la pratique, il est difficile, voire impossible, de combiner des métaux nettement dissemblables dans le réacteur», explique Maksym Yarema. Les scientifiques de l'ETH Zurich ont donc eu recours à un procédé utilisé depuis des siècles: l'amalgamation, une forme particulière de fusion ou de mélange de métaux.
Métaux liquides
Les amalgames sont particulièrement connus de la dentisterie, où ils sont utilisés comme matériau d'obturation, et aussi de l'extraction de l'or. Dans les deux cas, du mercure liquide est ajouté pour dissoudre d'autres métaux (pour les plombages dentaires, un mélange de cuivre, de zinc et d'argent). Toutefois, l'amalgame fonctionne également avec tout autre métal liquide. Outre le mercure, qui est liquide même à température ambiante, il existe un certain nombre de métaux dont le point de fusion est relativement bas, comme le gallium (30 degrés centigrades), l'indium (157 degrés) ou l'étain (232 degrés).
Approche de l'amalgame pour les nanocristaux
Maksym Yarema et ses collègues utilisent l'approche de l'amalgame à l'échelle nanométrique. La réaction commence par la dispersion de nanocristaux contenant un seul métal, par exemple de l'argent. Ensuite, les atomes du second métal - disons le gallium - sont ajoutés sous forme moléculaire (dans ce cas sous forme d'amides, un composé de carbone, d'hydrogène et d'azote), tandis que le mélange est chauffé à environ 300 degrés.
En raison de la température élevée, les liaisons chimiques entre le gallium et les acides se rompent, et le gallium liquide se dépose sur les nanocristaux de silicium. C'est alors que commence le processus d'amalgamation proprement dit, qui consiste à transformer le gallium liquide en silicium pur. Le processus aboutit à la formation d'un nouveau cristallin dans lequel, à la fin, le silicium et le gallium se confondent. Le tout est ensuite retiré, et les nanocristaux sont prêts après huit minutes. «Nous sommes impressionné·es par l'efficacité de l'amalgamation sur le nanocristal. Le composant métallique liquide est la clé de la formation rapide et uniforme d'un alliage dans les nanocristaux individuels», dit Maksym Yarema.
Processus de contrôle
Avec cette technique, les foreur·ses ont fabriqué des nanocristaux intermétalliques différents, notamment de l'or et du gallium, du cuivre et du gallium, ainsi que du palladium et du zinc. Le processus d'amalgamation est donc très complexe. En raison de la quantité de composés de zinc, qui sont utilisés comme amides dans la solution, il est possible de contrôler parfaitement la quantité de métal dans les nanocristaux. Sur le modèle de l'or et du gallium (symboles chimiques Au et Ga), les chercheur·ses ont découvert que ces nanocristaux peuvent être dotés de différents niveaux de concentration, par exemple 1:2 (AuGa2), 1:1 (AuGa) ou 7:2 (Au7Ga2). La taille des nanocristaux intermétalliques finis peut également être prédite avec précision à partir de la taille des nanocristaux d'origine provenant du premier métal et de l'augmentation de taille due au second métal.
Nanocristaux de masse pour les applications
La maîtrise de l'assemblage et de la taille des nanocristaux, associée à la capacité de combinaison des métaux, offre aux fournisseur·ses un grand potentiel pour les applications technologiques. «Parce que la synthèse de nanocristaux par amalgame permet de nombreuses compositions nouvelles, nous ne pouvons qu'attendre qu'ils soient utilisés dans des catalyseurs améliorés, en plasmonique ou dans les batteries lithium-ion.», confie Maksym Yarema. Les catalyseurs constitués de nanocristaux, par exemple, peuvent être précisément adaptés et optimisés pour un processus chimique particulier qu'ils sont censés accélérer.
