Des chercheurs du Laboratoire de Théorie et Simulation des Matériaux de l’EPFL ont utilisé des méthodes computationnelles pour identifier ce qui pourrait être le fil métallique le plus fin possible, ainsi que plusieurs autres matériaux unidimensionnels aux propriétés potentiellement intéressantes pour de nombreuses applications.
Les matériaux unidimensionnels (ou 1-D) représentent l’un des produits les plus fascinants de la nanotechnologie. Constitués d’atomes alignés sous forme de fils ou de tubes, leurs propriétés électriques, magnétiques et optiques en font des candidats excellents pour des applications allant de la microélectronique aux biosenseurs en passant par la catalyse.
Bien que les nanotubes de carbone aient attiré la majorité de l’attention jusqu’à présent, leur fabrication et leur contrôle se révèlent très complexes. Les scientifiques cherchent donc d’autres composés capables de créer des nanofils et des nanotubes aux propriétés tout aussi intéressantes, mais plus faciles à manipuler.
Une approche innovante par simulation informatique
Chiara Cignarella, Davide Campi et Nicola Marzari ont eu l’idée d’utiliser des simulations informatiques pour analyser des cristaux tridimensionnels connus, à la recherche de ceux qui, en fonction de leurs propriétés structurelles et électroniques, pourraient être facilement «exfoliés», c’est-à-dire détachés pour former une structure 1-D stable. Cette méthode a déjà été utilisée avec succès pour étudier des matériaux 2-D, mais c’est la première application à leurs homologues 1-D.
Les chercheurs ont commencé par une collection de plus de 780 000 cristaux, issus de diverses bases de données trouvées dans la littérature et maintenus ensemble par des forces de van der Waals, des interactions faibles qui se produisent lorsque les atomes sont suffisamment proches pour que leurs électrons se chevauchent. Un algorithme a ensuite été appliqué pour analyser l’organisation spatiale de leurs atomes, à la recherche de structures filiformes, et calculer l’énergie nécessaire pour séparer cette structure 1-D du reste du cristal.
Résultats prometteurs et matériaux intéressants
«Nous recherchions spécifiquement des fils métalliques, supposés difficiles à trouver car, en principe, les métaux 1-D ne devraient pas être suffisamment stables pour permettre l’exfoliation», explique Chiara Cignarella, auteure principale de l’article.
Au final, une liste de 800 matériaux 1-D a été établie, parmi lesquels les 14 meilleurs candidats ont été sélectionnés. Ces composés n’ont pas encore été synthétisés sous forme de fils réels, mais les simulations suggèrent qu’ils sont réalisables. Leurs propriétés ont ensuite été calculées en détail pour vérifier leur stabilité et leur comportement électronique.
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Les matériaux les plus prometteurs
Quatre matériaux – deux métaux et deux semi-métaux – se sont distingués comme les plus intéressants. Parmi eux, le fil métallique CuC2, une chaîne linéaire composée de deux atomes de carbone et d’un atome de cuivre, est le nanofil métallique le plus fin stable à 0 K découvert jusqu’à présent.
«C’est vraiment intéressant car on ne s’attendrait pas à ce qu’un fil d’atomes le long d’une seule ligne soit stable en phase métallique», indique Chiara Cignarella. Les scientifiques ont découvert qu’il pouvait être exfolié à partir de trois cristaux parents différents, tous connus des expériences (NaCuC2, KCuC2 et RbCuC2). Peu d’énergie est nécessaire pour l’extraire, et sa chaîne peut être pliée tout en conservant ses propriétés métalliques, ce qui le rendrait intéressant pour l’électronique flexible.
Orientations futures et collaborations
D’autres matériaux intéressants découverts dans l’étude, publiée dans ACS Nano («Searching for the thinnest metallic wire»), incluent le semi-métal Sb2Te2, qui pourrait permettre d’étudier un état exotique de la matière prédit il y a 50 ans mais jamais observé, appelé isolant excitonique, un de ces rares cas où les phénomènes quantiques deviennent visibles à l’échelle macroscopique. Ensuite, il y a Ag2Se2, un autre semi-métal, et TaSe3, un composé bien connu qui est le seul à avoir déjà été exfolié en tant que nanofil dans des expériences, utilisé comme référence par les scientifiques.
Pour l’avenir, Chiara Cignarella explique que le groupe souhaite collaborer avec des expérimentateurs pour synthétiser réellement les matériaux, tout en poursuivant les études computationnelles pour voir comment ils transportent les charges électriques et comment ils se comportent à différentes températures. Ces deux aspects seront fondamentaux pour comprendre comment ils pourraient fonctionner dans des applications réelles.
ACS Nano / Searching for the thinnest metallic wire
