Imaginez des processus industriels qui fabriquent des matériaux ou des composés chimiques plus rapidement, à moindre coût et en moins d'étapes que jamais. Imaginez traiter les informations sur votre ordinateur portable en quelques secondes au lieu de quelques minutes ou un superordinateur qui apprend et s'adapte aussi efficacement que le cerveau humain. Ces possibilités dépendent toutes de la même chose : la façon dont les électrons interagissent dans la matière.
Une équipe de scientifiques de l’Université d’Auburn a conçu une nouvelle classe de matériaux qui donne aux scientifiques un contrôle sans précédent sur ces minuscules particules. Leur étude, publiée dans Lettres de matériaux ACSintroduit le couplage accordable entre des complexes moléculaires de métaux isolés, connus sous le nom de précurseurs d'électrons solvatés, où les électrons ne sont pas verrouillés sur des atomes mais flottent librement dans des espaces ouverts.
De par leur rôle clé dans le transfert d’énergie, la liaison et la conductivité, les électrons sont l’élément vital de la synthèse chimique et de la technologie moderne. Dans les processus chimiques, les électrons conduisent des réactions redox, permettent la formation de liaisons et jouent un rôle essentiel dans la catalyse. Dans les applications technologiques, la manipulation du flux et des interactions entre les électrons détermine le fonctionnement des appareils électroniques, des algorithmes d’IA, des applications photovoltaïques et même de l’informatique quantique. Dans la plupart des matériaux, les électrons sont étroitement liés aux atomes, ce qui limite leur utilisation. Mais dans les électrides, les électrons se déplacent librement, créant ainsi des possibilités entièrement nouvelles.
« En apprenant à contrôler ces électrons libres, nous pouvons concevoir des matériaux qui font des choses que la nature n'a jamais prévues », explique le Dr Evangelos Miliordos, professeur agrégé de chimie à Auburn et auteur principal de l'étude basée sur des descriptions informatiques de pointe.
Dans leurs travaux, l'équipe d'Auburn a proposé de nouvelles structures de matériaux appelées électrodes immobilisées en surface en ancrant des molécules spéciales (précurseurs d'électrons solvatés) sur des surfaces stables telles que le diamant et le carbure de silicium. Cette conception rend les propriétés électroniques des électrides robustes et réglables. Selon la façon dont les molécules sont disposées, les électrons peuvent former des « îlots » isolés qui agissent comme des bits quantiques pour l'informatique avancée ou des « mers » métalliques étendues qui entraînent des réactions chimiques complexes.
Cette flexibilité est ce qui rend la découverte si puissante. Une configuration pourrait aider à construire des ordinateurs quantiques, des machines qui promettent de résoudre des problèmes impossibles pour les meilleurs supercalculateurs actuels. Un autre pourrait servir de base aux catalyseurs de nouvelle génération, des matériaux qui accélèrent les réactions chimiques d’une manière qui pourrait changer la façon dont nous fabriquons des carburants, des médicaments ou des produits industriels.
« Alors que notre société repousse les limites de la technologie actuelle, la demande pour de nouveaux types de matériaux explose », déclare le Dr Marcelo Kuroda, professeur agrégé de physique à Auburn. « Nos travaux ouvrent une nouvelle voie vers des matériaux offrant à la fois des opportunités d'investigations fondamentales sur les interactions dans la matière et des applications pratiques. »
Les versions antérieures d’électrides étaient instables et difficiles à mettre à l’échelle. En les déposant directement sur des surfaces solides, l'équipe d'Auburn a surmonté ces barrières en proposant une famille de structures de matériaux qui pourraient passer des modèles théoriques aux dispositifs du monde réel.
« Il s'agit d'une science fondamentale, mais elle a des implications très réelles », déclare le Dr Konstantin Klyukin, professeur adjoint de génie des matériaux à Auburn. « Nous parlons de technologies qui pourraient changer notre façon de calculer et de fabriquer. »
L'étude théorique a été dirigée par des professeurs de chimie, de physique et de génie des matériaux de l'Université d'Auburn. « Ce n'est que le début », ajoute Miliordos. « En apprenant à apprivoiser les électrons libres, nous pouvons imaginer un avenir avec des ordinateurs plus rapides, des machines plus intelligentes et de nouvelles technologies dont nous n'avions même pas encore rêvé. »
L'étude, « Electrides with Tunable Electron Delocalization for Applications in Quantum Computing and Catalysis », a également été co-écrite par les étudiants diplômés Andrei Evdokimov et Valentina Nesterova.
