Des molécules intelligentes pour les capteurs et les processeurs

La demande de matériaux « intelligents » capables de modifier leurs propriétés physiques en réponse à divers stimuli externes tels que la lumière, la chaleur, la pression, les champs magnétiques et électriques est croissante. L’une de ces propriétés physiques est l’état magnétique de complexes matériels, qui dépend des états de spin électronique. Les atomes métalliques de ces complexes peuvent changer d’état de spin – entre configurations magnétique et non magnétique – en réponse à la lumière, à la chaleur ou à la pression mécanique.

Dans deux nouvelles études, Abhishek Mondal, professeur associé à l’Unité de chimie de l’état solide et structurale (SSCU) de l’Institut indien des sciences (IISc), et son équipe rapportent la synthèse de nouveaux cadres chimiques – des cristaux hautement poreux constitués de couches métallo-organiques auto-assemblées – capables de commutation magnétique réversible. Ces matériaux peuvent constituer les éléments de base pour les unités de stockage de données de nouvelle génération, les processeurs quantiques et les capteurs industriels avancés.

La première étude, publiée dans Angewandte Chemie, résout un défi de longue date en science des matériaux : réaliser une commutation magnétique robuste dans des matériaux poreux tridimensionnels en forme de ruche généralement utilisés pour la détection de gaz ou de liquides. Lorsqu’un gaz ou un liquide cible entre ou sort du matériau, le réseau cristallin du matériau se dilate ou se contracte, stimulant les atomes à changer d’état magnétique. Dans les matériaux poreux traditionnels, cependant, cette expansion/contraction est limitée car la force de poussée/traction exercée par un atome au sein du réseau sur ses voisins est absorbée par les pores et limitée au voisinage de cet atome. Cela limite l’efficacité de ces capteurs car le matériau ne commute pas d’état dans son ensemble.

Pour relever ce défi, Mondal et son équipe ont conçu un nouveau complexe chimique qui est non seulement hautement poreux mais possède également une matrice élastique. Lorsque chaque atome de cette matrice change d’état de spin, sa poussée contre les voisins se propage de manière transparente à travers le réseau élastique, provoquant un effet domino qui amène l’ensemble du matériau à basculer son état magnétique – un phénomène connu sous le nom de « comportement coopératif ». Crucialement, cette transition magnétique est complètement réversible, permettant la réutilisation de ces matériaux. En plus de la pression mécanique, la lumière et la chaleur peuvent également stimuler le changement d’état de spin de manière réversible.

« Nous travaillons actuellement à la mise à l’échelle du complexe pour concevoir des capteurs intelligents de capture de gaz pouvant adsorber sélectivement des gaz critiques sur le plan industriel comme le CH₄, le CO et le CO₂ avec une sensibilité suprême », affirme Mondal.

Bien que ces matériaux puissent être très utiles pour la détection environnementale et biologique, un obstacle majeur a été la température à laquelle ils peuvent fonctionner. « Notre objectif était de synthétiser un système chimique qui présente ces transitions près des températures ambiantes », explique Krishna Kaushik, doctorant au SSCU et premier auteur des deux études. « Les matériaux contemporains fonctionnent souvent uniquement à des températures ultra-basses inférieures à 50 K (-223°C). Ils sont hautement volatils et reviennent à leur état fondamental avec même une légère augmentation de température. » Maintenir des environnements aussi extrêmement froids nécessite des systèmes de refroidissement énergivores et coûteux.

Pour répondre à cette limitation, dans une autre étude publiée dans Small, l’équipe a conçu un cadre hexagonal 2D qui réalise des transitions magnétiques induites par la lumière, la chaleur et les solvants près des températures ambiantes. Les chercheurs ont d’abord synthétisé un complexe précurseur qui, lorsqu’il est laissé dans sa solution, réagit avec les molécules de solvant environnantes et l’humidité atmosphérique pour se transformer en un nouveau complexe hautement stable. Alors que le réseau initial commute les états de spin et électroniques à une température froide de 176 K (environ -97°C), le complexe transformé présente remarquablement deux transitions distinctes à environ 240 K et 310 K (environ -33°C et 37°C), amenant avec succès la commutation magnétique dans le domaine de la température ambiante. La commutation s’accompagne également d’un changement de couleur vif, offrant une empreinte visuelle frappante de la transformation qui peut être suivie directement à l’œil nu.

Au-delà des applications de détection, ces matériaux commutables offrent des opportunités passionnantes pour les futures technologies quantiques. Les matériaux peuvent changer réversiblement entre deux états magnétiques lorsqu’ils sont exposés à la lumière, à la chaleur ou à la pression, un peu comme un minuscule interrupteur moléculaire. Cette capacité à contrôler les états magnétiques au niveau atomique est importante car elle reflète le principe fondamental des technologies quantiques, où l’information peut être stockée et manipulée de manière totalement nouvelle. Bien que les ordinateurs quantiques pratiques soient encore en développement, des découvertes comme celles-ci fournissent des éléments de base importants pour la prochaine génération de technologies avancées de calcul, de communication et de détection.

« Bien que ces découvertes en soient encore au stade de la recherche fondamentale, elles répondent à des défis mondiaux importants », déclare Mondal. « Les centres de données modernes et les appareils électroniques consomment d’énormes quantités d’énergie. Développer des matériaux alternatifs qui fonctionnent plus efficacement pourrait réduire les demandes énergétiques et contribuer à des technologies plus durables. De même, les matériaux capables d’agir simultanément comme capteurs, interrupteurs et éléments de mémoire pourraient simplifier les architectures des dispositifs et réduire les coûts de fabrication. »

Article : Achieving ambient-temperature multiway bistability via electron-transfer-coupled spin-state switching in 2D hexagonal materials – Journal : Small – DOI : Lien vers l’étude

Source : IISC