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Innovations au niveau atomique : le pari de Rice sur les matériaux 2D avancés

SciTechDaily

L'université Rice obtient un financement fédéral pour renforcer la recherche sur les matériaux avancés en se concentrant sur l'amélioration de la production de matériaux 2D, l'étude des interfaces de matériaux composites et l'exploration des réactions chimiques dans des états de non-équilibre pour des applications industrielles et de sécurité. Crédit : Issues.fr.com

Boris Yakobson, de l'Université Rice, a reçu plus de 4 millions de dollars de financement fédéral pour faire avancer la recherche sur les matériaux 2D, les interfaces dans les matériaux composites et les processus chimiques hors équilibre.

Ses travaux visent à développer de meilleures méthodes de production, à comprendre le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes et à explorer de nouvelles synthèses de matériaux pour des applications dans les technologies de l’énergie et de la défense.

Recherche sur les matériaux avancés à l'Université Rice

Les matériaux avancés constituent un pôle d'innovation important dans des domaines essentiels à la sécurité nationale tels que l'énergie, la défense, l'aéronautique et les technologies aérospatiales. Boris Yakobson, scientifique en matériaux à l'université Rice, a remporté trois prix de deux agences fédérales totalisant 4 140 611 $ sur plusieurs années pour étudier les aspects difficiles de la production, des performances et de la dynamique des matériaux avancés.

Ces prix sont représentatifs de la pertinence nationale de Rice en matière de recherche sur les sciences des matériaux. Yakobson a déclaré qu'il espère que les projets, qui s'appuient sur des travaux antérieurs, « conduiront à des découvertes qui transformeront réellement notre façon de comprendre, de fabriquer et de travailler avec des matériaux avancés ».

Boris Yakobson

Boris Yakobson est professeur d'ingénierie Karl F. Hasselmann et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie. Crédit : Jeff Fitlow/Rice University

Exploration des techniques de production de matériaux 2D

Un projet intitulé « Cartographier les voies de synthèse des matériaux bidimensionnels » vise à élucider les mécanismes moléculaires qui permettraient la production de matériaux bidimensionnels destinés à être utilisés dans les micropuces et l’électronique du futur à l’échelle et avec une qualité industrielles.

Les matériaux 2D ont d’abord été produits par exfoliation, ou par « pelage ». atome– des couches minces à partir d'un cristal tridimensionnel ou massif, mais cette méthode de production n'est pas pratique pour la mise à l'échelle. Les méthodes de production basées sur la synthèse chimique reposent sur une compréhension et un contrôle précis des réactions chimiques aboutissant à la croissance de couches cristallines. Souvent, les méthodes de production impliquent la transformation du matériau d'un solide en vapeur et de nouveau en forme solide.

Interface de matériaux composites

Représentation d'une interface dans un matériau composite. Crédit : Yakobson Research Group/Rice University

Le rôle de la dynamique quantique dans la synthèse des matériaux

« Les réactions solide-vapeur-solide sont nombreuses et mal comprises, et les avancées scientifiques dans plusieurs exemples clés doivent ouvrir la voie à une nouvelle science au carrefour de la cinétique des réactions en phase gazeuse, de la physique des surfaces hors équilibre et de la structure cristalline émergente », a déclaré Yakobson, qui a déclaré qu'il prévoyait d'utiliser des méthodes informatiques pour explorer la dynamique moléculaire initiale au niveau quantique afin d'identifier les transformations clés menant des précurseurs bruts aux intermédiaires. espèces et finalement à la construction d’unités qui s’assemblent dans la couche cristalline cible.

« Nous essayons de répondre à des questions telles que pouvons-nous accélérer la croissance cristalline en ajoutant des composants supplémentaires sans compromettre la qualité de notre produit, ou comment pouvons-nous créer les types de défauts souhaités dans notre matériau résultant que nous pouvons ensuite utiliser comme porteurs de courant, centres catalytiques ou mono-photon « Des émetteurs pour les qubits dans un ordinateur quantique », a déclaré Yakobson.

La colle électronique maintient le réseau atomique d'un matériau céramique

La « colle électronique » maintient le réseau atomique d'un matériau céramique exposé à une chaleur et à des radiations extrêmes, lorsque les ions constitutifs changent de charge et de mobilité. Crédit : Yakobson Research Group/Rice University

Orientations stratégiques de la recherche sur la synthèse des matériaux

S'appuyant sur des travaux antérieurs sur plusieurs matériaux 2D emblématiques tels que graphènele disulfure de molybdène et le nitrure de bore hexagonal, le groupe de recherche Yakobson vise à établir une approche générale pour le développement de modèles de synthèse prédictifs pour les pérovskites, les nitrures, les oxydes et d'autres matériaux convoités pour les applications énergétiques et électroniques.

« Nous souhaitons également automatiser la recherche de voies de réaction qui nous permettraient de synthétiser de nouveaux matériaux jusqu'alors inconnus ou de simplifier la production de matériaux tels que borophènequi nécessitent désormais des techniques coûteuses ou ésotériques », a déclaré Yakobson, dont le travail proposé sur les matériaux 2D sera soutenu à hauteur de 2 107 997 $ sur plusieurs années par le ministère américain de l'Énergie.

Progrès dans les interfaces de matériaux composites

Le groupe Yakobson a également reçu du ministère américain de la Défense un montant total de 2 032 614 $ au cours des quatre prochaines années pour deux projets, l'un portant sur les interfaces dans les matériaux composites et l'autre sur le comportement des matériaux énergétiques dans des états extrêmes de non-équilibre.

« L’un de ces projets examine les détails au niveau atomique ou moléculaire de la manière dont les interfaces (les frontières entre les microcomposants dans un solide mixte) réagissent à une charge extrême », a déclaré Yakobson.

Les interfaces ont un impact sur les performances globales des matériaux composites, et des propriétés telles que la résistance mécanique, la ténacité, la résistivité électrique et la stabilité thermique et à la corrosion sont d'une importance cruciale dans les infrastructures et applications civiles et de défense, des ponts et des chemins de fer aux sous-marins et aux véhicules aérospatiaux supersoniques.

« Nous prévoyons d’utiliser des calculs de chimie quantique de pointe pour examiner les interfaces hétérogènes afin de déterminer comment les matériaux composites haute performance se comportent dans des conditions extrêmes et comment nous pourrions améliorer leur conception », a déclaré Yakobson.

Défis et innovations dans les procédés chimiques hors équilibre

Le deuxième projet parrainé par le DOD se concentrera sur le développement de moyens permettant de quantifier les taux de réactions chimiques et d’autres processus qui se produisent dans des systèmes complexes dans des états éloignés de l’équilibre chimique.

« Les systèmes qui sont loin de l’équilibre thermodynamique présentent des variations spatiales ou des gradients importants en termes de densité énergétique, de composition chimique et autres, ce qui rend difficile la détermination des vitesses des processus », a déclaré Yakobson. « Il est très important de le savoir, en particulier pour les matériaux énergétiques, qui constituent une vaste classe de matériaux qui stockent une grande quantité d’énergie chimique. »

Les explosifs, les carburants et les propulseurs sont des exemples de matériaux énergétiques. S’appuyant sur les connaissances acquises grâce à la chimie du solide, Yakobson cherche à « faire une différence » dans le manque relatif de connaissances sur la manière dont les réactions induites par le stress et l’hétérogénéité spatiale des systèmes hors équilibre se produisent dans les processus en phase gazeuse et liquide.

Conclusion et perspectives d’avenir

« L’exploitation des technologies informatiques modernes sera extrêmement précieuse pour ce projet », a déclaré Yakobson. « Nous espérons passer d’une science proche de l’équilibre fonctionnant avec, par exemple, des gradients de température à la dynamique moderne des phonons, vibrons, excitons quantifiés… et à leur couplage comme nouvel ensemble d’outils pour décrire le jeu énergétique loin de l’équilibre. »

Le contenu de ce communiqué de presse relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des bailleurs de fonds.

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