Des chercheurs font pousser des cristaux à la demande avec un simple laser

Connor Yeck

Des chercheurs de l’université d’État du Michigan ont découvert comment « dessiner » à la demande les cristaux utilisés dans de nombreuses technologies cruciales, des panneaux solaires et éclairages LED à l’imagerie médicale.

Publiée dans la revue ACS Nano, cette avancée majeure a été réalisée en frappant des nanoparticules d’or avec une seule impulsion laser. Ces travaux ont été financés par le département américain de la Défense.

« Nous commençons tout juste à effleurer la surface de ce qui est possible. Cela ouvre un nouveau chapitre dans la manière dont nous concevons et étudions les matériaux », a déclaré Elad Harel, professeur associé au département de chimie et auteur principal de l’étude.

Prenez le temps de regarder autour de vous et vous découvrirez un monde qui fonctionne grâce aux cristaux. Des détecteurs de fumée aux écrans de télévision en passant par les ultrasons et les sonars, les propriétés optiques et électriques uniques de ces structures chimiques les placent à la pointe de la plupart des innovations.

Cependant, la culture des cristaux n’est pas chose facile.

« Avec les méthodes de culture traditionnelles, les cristaux peuvent se former à des moments et à des endroits aléatoires, de sorte que les résultats ne sont pas toujours les mêmes », explique M. Harel.

À mesure que les technologies et les matériaux s’améliorent rapidement, ils dépendent de cristaux d’une qualité exceptionnelle placés exactement au bon endroit. Ce manque de contrôle constitue donc un obstacle majeur pour les chercheurs.

Pour relever ce défi, M. Harel s’est tourné vers la spécialité de son laboratoire : les lasers, et en particulier les lasers rapides.

À la MSU, M. Harel utilise de courtes impulsions laser pour éclairer les mystères du monde naturel. Cela inclut une récente percée qui a permis, grâce à des lasers ultra-rapides, d’« entendre la biologie ».

Dans la nouvelle publication, les chercheurs se sont essayés à la culture de cristaux appelés pérovskites d’halogénure de plomb. Ces cristaux sont essentiels pour les LED, les cellules solaires et l’imagerie médicale.

Plutôt que de passer par les étapes complexes habituelles de la croissance cristalline ou même d’utiliser un petit cristal « germe » pour lancer le processus, l’équipe de Harel a dirigé ses lasers vers une minuscule cible scintillante : des nanoparticules d’or dont la taille est inférieure à un millième de la largeur d’un cheveu humain.

Les scientifiques ont révélé que ces particules généraient de la chaleur à l’endroit où la lumière laser les frappait et que cette interaction conduisait à la cristallisation. À l’aide de microscopes spéciaux à grande vitesse, ils ont même pu observer le processus en temps réel.

À l’instar d’un laser utilisé pour graver des œuvres d’art sur du métal ou du bois, ce type de création de cristaux offre aux chercheurs la possibilité de « dessiner » des cristaux avec un niveau de contrôle qui pourrait transformer des domaines allant de l’énergie propre aux technologies quantiques. Ces découvertes contribuent également à approfondir notre compréhension de la formation des cristaux, un domaine de la chimie réputé pour sa complexité.

« Grâce à cette méthode, nous pouvons essentiellement faire croître des cristaux à des endroits et à des moments précis », a commenté Md Shahjahan, chercheur associé à la MSU et premier auteur de l’article. « C’est comme être aux premières loges pour observer les tout premiers instants de la vie d’un cristal sous un microscope, sauf qu’ici, nous pouvons également orienter son développement. »

Avec leurs nanoparticules d’or désormais sous les feux de la rampe, l’équipe d’Elad retourne au laboratoire pour mener de nouvelles expériences à fort potentiel.

Il s’agit notamment d’utiliser plusieurs lasers de différentes couleurs pour « dessiner » des motifs cristallins encore plus complexes et de tenter de créer des matériaux entièrement nouveaux qui ne peuvent être fabriqués par des méthodes conventionnelles.

« Maintenant que nous pouvons « dessiner » des cristaux avec des lasers, la prochaine étape consiste à créer des motifs plus grands et plus complexes et à tester les performances de ces cristaux dans des appareils réels », conclut Elad Harel.

Article : « Nanoscale Plasmonic Heating-Induced Spatiotemporal Crystallization of Methylammonium Lead Halide Perovskite » – DOI : 10.1021/acsnano.5c12057

Source : MSU