En modifiant la structure physique de l’or à l’échelle nanométrique, les chercheurs peuvent radicalement changer la façon dont le matériau interagit avec la lumière – et, par conséquent, ses propriétés électroniques et optiques. C’est ce que démontre une étude de l’Université d’Umeå publiée dans Nature Communications.
L’or joue un rôle crucial dans les technologies avancées modernes grâce à ses propriétés uniques. De nouvelles recherches démontrent désormais que modifier la structure physique du matériau – sa morphologie – peut fondamentalement améliorer à la fois son comportement électronique et sa capacité à interagir avec la lumière.
« Cela pourrait permettre d’améliorer l’efficacité des réactions chimiques, comme celles utilisées dans la production d’hydrogène ou la capture du carbone », explique Tlek Tapani, l’un des principaux chercheurs à l’origine de l’étude et doctorant au département de physique.
Les chercheurs ont travaillé avec de l’or nanoporeux, un soi-disant métamatériau produit en laboratoire. Grâce à sa structure semblable à une éponge, l’or nanoporeux possède des propriétés encore meilleures pour les applications techniques que l’or solide ordinaire.
Dans cette étude, les chercheurs ont observé qu’un film mince d’or nanoporeux interagit avec la lumière de manières impossibles pour l’or solide. En exposant « l’éponge d’or » à des impulsions laser ultra-courtes, ils ont constaté que la structure poreuse permet au matériau d’absorber plus d’énergie lumineuse sur un spectre plus large.
En conséquence, les électrons deviennent considérablement plus énergétiques. La température électronique a été estimée atteindre environ 3200 K (~2900 °C) dans le film nanoporeux, contre seulement 800 K (~500 °C) dans le film d’or non structuré utilisé comme référence, dans les mêmes conditions. Il faut également plus de temps aux électrons « chauds » pour refroidir et revenir à leur état initial à température ambiante.
« Ces températures électroniques élevées permettent des transitions induites par la lumière qui seraient autrement presque impossibles », affirme Nicolò Maccaferri, responsable de l’unité de nanoscience ultrarapide au département de physique et auteur principal de l’article. « Il est intéressant de noter qu’en utilisant des expériences de microscopie électronique avancée et de spectroscopie photodélectronique X (XPS) ici à l’Université d’Umeå, nous avons pu confirmer que ces comportements uniques sont uniquement dus à la forme physique du matériau et non à des changements dans la structure électronique de l’or lui-même. »
Les expériences suggèrent que la structure nanoporeuse peut être utilisée comme un nouveau paramètre de conception pour ingénier les matériaux utilisés dans les technologies avancées. En variant systématiquement le facteur de remplissage (le rapport entre l’or et l’air dans « l’éponge »), les chercheurs peuvent ajuster le comportement électronique non seulement de l’or, mais aussi d’autres métaux de manière contrôlable, ce qui pourrait améliorer l’efficacité des réactions chimiques.
« Notre recherche montre qu’en manipulant l’architecture d’un matériau à l’échelle nanométrique, nous pouvons utiliser la structure elle-même comme paramètre de conception », explique Nicolò Maccaferri. « Ces résultats peuvent être généralisés, en principe, à tous les matériaux, avec des implications sur la façon dont nous concevons des matériaux intelligents pour la durabilité et la technologie, avec des applications allant de la catalyse à la récupération d’énergie, la médecine et les batteries quantiques. »
Article : Morphology-modified contributions of electronic transitions to the optical response of plasmonic nanoporous gold metamaterial – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Université d’Umeå.
