Des chercheurs de l'EPFL ont identifié des nanomatériaux unidimensionnels potentiels, notamment ce qui pourrait être le fil métallique le plus fin, en utilisant des méthodes informatiques pour étudier les propriétés structurelles de plus de 780 000 cristaux. Leurs découvertes mettent en lumière 14 matériaux potentiellement utilisés dans les études électroniques et quantiques. Crédit : PRN MARVEL
Les chercheurs du NCCR MARVEL de l'EPFL ont utilisé des outils informatiques pour rechercher de nouveaux matériaux 1D qui pourraient être exfoliés à partir de cristaux tridimensionnels connus, y compris le nanofil métallique le plus fin et stable à 0 K trouvé jusqu'à présent.
Des chercheurs de l'EPFL ont utilisé des outils informatiques pour rechercher de nouveaux matériaux 1D qui pourraient être exfoliés à partir de cristaux tridimensionnels connus. Sur une liste initiale de plus de 780 000 cristaux, ils ont dressé une liste de 800 matériaux 1D, parmi lesquels ils ont sélectionné les 14 meilleurs candidats – des composés qui n'ont pas encore été synthétisés sous forme de fils réels, mais que les simulations suggèrent comme réalisables. . Parmi eux se trouve le fil métallique CuC2une chaîne droite composée de deux atomes de carbone et d'un cuivre atomele nanofil métallique le plus fin stable à 0 K trouvé jusqu'à présent.
Recherche sur les nanomatériaux
Des chercheurs du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux de l'EPFL ont utilisé des méthodes informatiques pour identifier ce qui pourrait être le fil métallique le plus fin possible, ainsi que plusieurs autres matériaux unidimensionnels dont les propriétés pourraient s'avérer intéressantes pour de nombreuses applications.
Les matériaux unidimensionnels (ou 1D) sont l’un des produits les plus intrigants de la nanotechnologie et sont constitués d’atomes alignés sous forme de fils ou de tubes. Leurs propriétés électriques, magnétiques et optiques en font d'excellents candidats pour des applications allant de la microélectronique aux biocapteurs en passant par la catalyse. Bien que les nanotubes de carbone soient les matériaux qui ont retenu le plus l'attention jusqu'à présent, ils se sont révélés très difficiles à fabriquer et à contrôler. Les scientifiques sont donc impatients de trouver d'autres composés qui pourraient être utilisés pour créer des nanofils et des nanotubes dotés de propriétés tout aussi intéressantes, mais plus faciles à utiliser. gérer.
Identification des structures 1D
Chiara Cignarella, Davide Campi et Nicola Marzari ont donc pensé à utiliser des simulations informatiques pour analyser les cristaux tridimensionnels connus, à la recherche de ceux qui – en fonction de leurs propriétés structurelles et électroniques – semblent pouvoir être facilement « exfoliés », se décollant essentiellement d'eux. une structure 1D stable. La même méthode a été utilisée avec succès dans le passé pour étudier des matériaux 2D, mais il s'agit de la première application à leurs homologues 1D.
Les chercheurs sont partis d’une collection de plus de 780 000 cristaux, extraits de diverses bases de données trouvées dans la littérature et maintenus ensemble par les forces de Van der Waals, le genre d’interactions faibles qui se produisent lorsque les atomes sont suffisamment proches pour que leurs électrons se chevauchent. Ils ont ensuite appliqué un algorithme prenant en compte l’organisation spatiale de leurs atomes, recherchant ceux qui incorporaient des structures filaires, et calculant la quantité d’énergie nécessaire pour séparer cette structure 1D du reste du cristal.
À la découverte du fil métallique le plus fin
« Nous recherchions spécifiquement des fils métalliques, qui sont censés être difficiles à trouver car les métaux 1D, en principe, ne devraient pas être suffisamment stables pour permettre l'exfoliation », explique Cignarella, premier auteur de l'article.
En fin de compte, ils ont dressé une liste de 800 matériaux 1D, parmi lesquels ils ont sélectionné les 14 meilleurs candidats – des composés qui n’ont pas encore été synthétisés sous forme de fils réels, mais que les simulations suggèrent comme réalisables. Ils ont ensuite procédé à un calcul plus détaillé de leurs propriétés, afin de vérifier leur stabilité et le comportement électronique qu’on pouvait attendre d’eux.
Résultats révolutionnaires dans la recherche sur les nanofils
Quatre matériaux – deux métaux et deux semi-métaux – se sont révélés les plus intéressants. Parmi eux se trouve le fil métallique CuC2, une chaîne droite composée de deux atomes de carbone et d'un atome de cuivre, le nanofil métallique le plus fin stable à 0 K trouvé jusqu'à présent. « C'est vraiment intéressant car on ne s'attendrait pas à ce qu'un véritable fil d'atomes le long d'une seule ligne soit stable dans la phase métallique », explique Cignarella. Les scientifiques ont découvert qu'il pouvait être exfolié à partir de trois cristaux parents différents, tous connus expérimentalement (NaCuC2KCuC2 et RbCuC2). Il nécessite peu d'énergie pour en être extrait, et sa chaîne peut être pliée tout en préservant ses propriétés métalliques, ce qui la rendrait intéressante pour l'électronique flexible.
D'autres documents intéressants trouvés dans l'étude, publiée dans ACS Nano, inclure le semi-métal Sb2Te2, qui de par ses propriétés pourraient permettre d'étudier un état exotique de la matière prédit il y a 50 ans mais jamais observé, appelé isolants excitoniques, un de ces rares cas où les phénomènes quantiques deviennent visibles à l'échelle macroscopique. Ensuite, il y a Ag2Se2un autre semi-métal, et TaSe3un composé bien connu qui est le seul à avoir déjà été exfolié expérimentalement sous forme de nanofil, et que les scientifiques ont utilisé comme référence.
Implications et orientations futures de la recherche
Quant à l'avenir, Cignarella explique que le groupe souhaite faire équipe avec des expérimentateurs pour synthétiser réellement les matériaux, tout en poursuivant les études informatiques pour voir comment ils transportent des charges électriques et comment ils se comportent à différentes températures. Ces deux éléments seront fondamentaux pour comprendre leurs performances dans des applications réelles.
