Une percée pour l'avenir : les nanocristaux d'amalgame

Les nanocristaux sont des sphères de quelques nanomètres composées d'atomes disposés de manière régulière. En raison de leurs propriétés avantageuses, ils ont le vent en poupe dans plusieurs technologies. Les nanocristaux de semi-conducteurs, par exemple, sont utilisés dans les écrans de télévision de nouvelle génération. Ces derniers temps, les nanocristaux dits intermétalliques, dans lesquels deux métaux différents forment un réseau cristallin commun, font de plus en plus parler d'eux, car ils promettent des applications puissantes et uniques. Celles-ci vont de la catalyse à la médecine en passant par le stockage de données.

En théorie, il existe des dizaines de milliers de combinaisons possibles de métaux qui pourraient former de tels nanocristaux, avec un nombre correspondant de propriétés matérielles différentes. Mais jusqu'à présent, seuls quelques couples ont effectivement permis de fabriquer des nanocristaux. Des chercheurs de l'ETH Zurich, sous la direction de Maksym Yarema et Vanessa Wood à l'Institut d'électronique, ont désormais développé une nouvelle technique qui permet en principe de réaliser presque toutes les combinaisons possibles de nanocristaux intermétalliques. Leurs résultats ont récemment été publiés dans la revue spécialisée Science Advances.

Une méthode étonnamment intuitive

"Notre méthode est simple et intuitive - si intuitive que nous avons été surpris que personne n'ait eu cette idée avant nous", explique Yarema. Dans les méthodes traditionnelles de production de nanocristaux à partir d'un seul métal, les atomes de métal sont ajoutés sous forme moléculaire, par exemple sous forme de sels, à une solution dans laquelle les nanocristaux se développent ensuite. "En théorie, il est possible de le faire avec deux métaux différents, mais dans la pratique, il est difficile, voire impossible, de combiner des métaux très différents dans une éprouvette", explique Yarema. Les scientifiques de l'ETH ont donc eu recours à un procédé utilisé depuis des siècles : l'amalgamation, c'est-à-dire une certaine manière de fusionner ou de mélanger des métaux.

Métaux liquides

Les amalgames sont surtout connus en dentisterie, où ils sont utilisés comme matériau pour les plombs, et aussi pour l'extraction de l'or. Dans les deux cas, on y ajoute du mercure liquide pour y dissoudre d'autres métaux (pour les amalgames dentaires, un mélange de cuivre, d'étain et d'argent). Mais l'amalgame fonctionne également avec n'importe quel autre métal liquide. Outre le mercure, qui est déjà liquide à température ambiante, il existe toute une série de métaux dont le point de fusion est relativement bas, comme le gallium (30 degrés Celsius), l'indium (157 degrés) ou l'étain (232 degrés).

Principe de l'amalgame pour les nanocristaux

Yarema et ses collègues exploitent le principe de l'amalgame à l'échelle nanométrique. La réaction commence par la dissolution de nanocristaux composés d'un seul métal, par exemple l'argent. Ensuite, les atomes du deuxième métal - par exemple le gallium - sont ajoutés sous forme de molécules (dans ce cas, sous forme d'amides, un composé de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène), tandis que le mélange est chauffé à près de 300 degrés.

Sous l'effet de la température élevée, les liaisons chimiques de l'amide de gallium se rompent et le gallium liquide se dépose sur les nanocristaux d'argent. Commence alors le processus d'amalgame proprement dit, au cours duquel le gallium liquide se glisse dans l'argent solide. Il se forme ainsi peu à peu un nouveau réseau cristallin dans lequel les atomes d'argent et de gallium sont finalement disposés de manière régulière. Puis le tout est à nouveau refroidi et, au bout de dix minutes, les nanocristaux sont prêts. "Nous sommes étonnés de l'efficacité de l'amalgame à l'échelle nanométrique. Le composant métallique liquide est ici la clé de la formation rapide et uniforme d'un alliage dans les différents nanocristaux", explique Yarema.

Processus contrôlable

En utilisant la même technique, les chercheurs ont déjà produit différents nanocristaux intermétalliques, notamment or-gallium, cuivre-gallium et palladium-zinc. Le processus d'amalgame peut être contrôlé avec précision. Grâce à la quantité d'atomes secondaires ajoutés à la solution sous forme d'amides, il est possible de contrôler avec précision le rapport quantitatif des métaux dans les nanocristaux. En prenant l'exemple de l'or et du gallium (symboles chimiques Au et Ga), les scientifiques ont montré qu'il était ainsi possible de produire des nanocristaux dans les proportions les plus diverses, par exemple 1:2 (AuGa₂), 1:1 (AuGa) ou 7:2 (Au₇Ga₂). La taille des nanocristaux intermétalliques finis peut également être prédite avec précision à partir de la taille des nanocristaux initiaux du premier métal et de l'augmentation de taille due au second métal.

Des nanocristaux sur mesure pour des applications

Les chercheurs voient dans la possibilité de contrôler avec précision la composition et la taille des nanocristaux, associée à la possibilité de combiner les métaux presque à volonté, un grand potentiel pour les applications technologiques. "Comme la synthèse de nanocristaux par amalgamation permet d'obtenir tant de nouvelles compositions, nous sommes impatients de les voir utilisées dans des catalyseurs améliorés, dans la plasmonique ou dans les batteries lithium-ion", explique Yarema. Les catalyseurs en nanocristaux, par exemple, peuvent être taillés sur mesure et optimisés pour un processus chimique particulier qu'ils doivent accélérer.