Imaginez des processus industriels qui permettent de fabriquer des matériaux ou des composés chimiques plus rapidement, à moindre coût et en moins d’étapes que jamais auparavant. Imaginez que votre ordinateur portable traite les informations en quelques secondes au lieu de plusieurs minutes, ou qu’un superordinateur apprenne et s’adapte aussi efficacement que le cerveau humain. Toutes ces possibilités reposent sur le même principe : la manière dont les électrons interagissent dans la matière.
Une équipe de scientifiques de l’université d’Auburn a désormais conçu une nouvelle catégorie de matériaux qui offre aux scientifiques un contrôle sans précédent sur ces minuscules particules. Leur étude, publiée dans ACS Materials Letters, présente le couplage réglable entre des complexes moléculaires métalliques isolés, appelés précurseurs d’électrons solvatés, dans lesquels les électrons ne sont pas liés aux 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 le moteur de la synthèse chimique et de la technologie moderne. Dans les processus chimiques, les électrons entraînent des réactions d’oxydoréduction, 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 », commente le Dr Evangelos Miliordos, professeur agrégé de chimie à Auburn et auteur principal de l’étude basée sur des descriptions computationnelles de pointe.
Dans le cadre de leurs travaux, l’équipe d’Auburn a proposé de nouvelles structures de matériaux appelées « électrides immobilisées en surface » en ancrant des molécules spéciales (des 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 ajustables. Selon la disposition des molécules, les électrons peuvent former des « îlots » isolés qui agissent comme des bits quantiques pour le calcul avancé ou des « mers » métalliques étendues qui entraînent des réactions chimiques complexes.
C’est cette flexibilité qui rend cette découverte si puissante. Une configuration pourrait aider à construire des ordinateurs quantiques, des machines qui promettent de résoudre des problèmes impossibles à résoudre pour les meilleurs superordinateurs actuels. Une autre pourrait servir de base à la prochaine génération de catalyseurs, des matériaux qui accélèrent les réactions chimiques d’une manière qui pourrait changer la façon dont nous fabriquons les carburants, les médicaments ou les produits industriels.
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« Alors que notre société repousse les limites de la technologie actuelle, la demande de nouveaux types de matériaux explose », ajoute le Dr Marcelo Kuroda, professeur agrégé de physique à Auburn. « Nos travaux ouvrent une nouvelle voie vers des matériaux qui offrent à la fois des possibilités de recherche fondamentale sur les interactions dans la matière et des applications pratiques. »
Les versions antérieures des électrures étaient instables et difficiles à mettre à l’échelle. En les déposant directement sur des surfaces solides, l’équipe d’Auburn a surmonté ces obstacles, proposant une famille de structures matérielles qui pourraient passer des modèles théoriques aux dispositifs du monde réel. « Il s’agit d’une science fondamentale, mais elle a des implications très concrètes », déclare Konstantin Klyukin, professeur adjoint d’ingénierie des matériaux à Auburn. « Nous parlons de technologies qui pourraient changer la façon dont nous calculons et dont nous fabriquons. »
L’étude théorique a été menée par des professeurs des départements de chimie, de physique et d’ingénierie des matériaux de l’université d’Auburn. « Ce n’est que le début », conclut le Dr. Miliordos. « En apprenant à maîtriser les électrons libres, nous pouvons imaginer un avenir avec des ordinateurs plus rapides, des machines plus intelligentes et de nouvelles technologies dont nous n’avons même pas encore rêvé. »
L’étude, intitulée « Electrides with Tunable Electron Delocalization for Applications in Quantum Computing and Catalysis » (Électrides à délocalisation d’électrons réglable pour des applications dans l’informatique quantique et la catalyse), a également été co-rédigée par les étudiants diplômés Andrei Evdokimov et Valentina Nesterova. Elle a été soutenue par la National Science Foundation des États-Unis et les ressources informatiques de l’université d’Auburn. DOI : 10.1021/acsmaterialslett.5c00756
