Les meilleurs artistes du monde peuvent prendre une poignée de peintures de couleurs différentes et créer une toile digne d’un musée qui ne ressemble à rien d’autre. Ils le font en s’inspirant de l’inspiration, de la connaissance de ce qui a été fait dans le passé et des règles de conception qu’ils ont apprises après des années en studio.
Les chimistes travaillent de la même manière lorsqu’ils inventent de nouveaux composés. Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), de l’Université Northwestern et de l’Université de Chicago ont mis au point une nouvelle méthode pour découvrir et fabriquer de nouveaux matériaux cristallins à deux éléments ou plus.
« Nous espérons que notre travail se révélera extrêmement précieux pour les communautés de la chimie, des matériaux et de la matière condensée pour la synthèse de matériaux nouveaux et actuellement imprévisibles aux propriétés exotiques », a déclaré Mercouri Kanatzidis, professeur de chimie à Northwestern avec une nomination conjointe à Argonne.
« Notre méthode d’invention est née de la recherche sur les supraconducteurs non conventionnels », a déclaré Xiuquan Zhou, postdoctorant à Argonne et premier auteur de l’article. « Ce sont des solides avec deux éléments ou plus, dont au moins un n’est pas un métal. Et ils cessent de résister au passage de l’électricité à différentes températures – partout, de plus froid que l’espace extra-atmosphérique à celui de mon bureau. »
Au cours des cinq dernières décennies, les scientifiques ont découvert et fabriqué de nombreux supraconducteurs non conventionnels aux propriétés magnétiques et électriques surprenantes. Ces matériaux ont une large gamme d’applications possibles, telles que la production d’énergie améliorée, la transmission d’énergie et le transport à grande vitesse. Ils ont également le potentiel d’être intégrés dans les futurs accélérateurs de particules, les systèmes d’imagerie par résonance magnétique, les ordinateurs quantiques et la microélectronique économe en énergie.
La méthode d’invention de l’équipe commence par une solution composée de deux composants. L’un est un solvant très efficace. Il se dissout et réagit avec tous les solides ajoutés à la solution. L’autre est un solvant moins efficace. Mais il est là pour ajuster la réaction afin de produire un nouveau solide lors de l’ajout de différents éléments. Ce réglage consiste à modifier le rapport des deux composants et la température. Ici, la température est assez élevée, de 750 à 1 300 degrés Fahrenheit.
« Nous ne sommes pas concernés par l’amélioration des matériaux connus, mais par la découverte de matériaux que personne ne connaissait ou dont les théoriciens n’imaginaient même l’existence », a noté Kanatzidis. « Avec cette méthode, nous pouvons éviter les voies de réaction vers des matériaux connus et suivre de nouvelles voies vers l’inconnu et l’imprévu. »
Comme cas test, les chercheurs ont appliqué leur méthode à des composés cristallins composés de trois à cinq éléments. Comme l’a récemment rapporté dans La nature, leur méthode de découverte a produit 30 composés jusqu’alors inconnus. Dix d’entre eux ont des structures jamais vues auparavant.
L’équipe a préparé des monocristaux de certains de ces nouveaux composés et caractérisé leurs structures sur la ligne de lumière ChemMatCARS d’UChicago à 15-ID-D et sur le 17-BM-B de la division des sciences des rayons X de l’Advanced Photon Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science. à Argonne. « Avec la ligne de lumière 17-BM-B de l’APS, nous avons pu suivre l’évolution des structures des différentes phases chimiques qui se sont formées au cours du processus de réaction », a déclaré Wenqian Xu, scientifique de la ligne de lumière 17-BM-B.
« Traditionnellement, les chimistes ont inventé et fabriqué de nouveaux matériaux en se basant uniquement sur la connaissance des ingrédients de départ et du produit final », a déclaré Zhou. « Les données APS nous ont permis de prendre également en compte les produits intermédiaires qui se forment lors d’une réaction. »
Le Center for Nanoscale Materials, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science à Argonne, a fourni des données expérimentales clés et des calculs théoriques au projet.
Ce n’est que le début de ce qui est possible, puisque la méthode peut être appliquée à presque n’importe quel solide cristallin. Il peut également être appliqué à la production de nombreuses structures cristallines différentes. Cela comprend plusieurs couches empilées, une seule couche d’un atome d’épaisseur et des chaînes de molécules qui ne sont pas liées. Ces structures inhabituelles ont des propriétés différentes et sont essentielles au développement de matériaux de nouvelle génération applicables non seulement aux supraconducteurs, mais également à la microélectronique, aux batteries, aux aimants et plus encore.
Outre Zhou, Kanatzidis et Xu, les co-auteurs de l’étude incluent CVS Kolluru, L. Wang, T. Chang, Y.-S. Chen, L. Yu, J. Wen, MKY Chan et D.-Y. Chung.
Plus d’information:
Xiuquan Zhou et al, Découverte des structures et compositions des chalcogénures à l’aide de flux mixtes, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05307-7