Des chercheurs synthétisent des nanoparticules adaptées à des applications spéciales

Que ce soit dans des matériaux innovants de haute technologie, des puces informatiques plus puissantes, des produits pharmaceutiques ou dans le domaine des énergies renouvelables, les nanoparticules constituent la base de toute une série de nouveaux développements technologiques. En raison des lois de la mécanique quantique, de telles particules ne mesurant que quelques millionièmes de millimètre peuvent se comporter complètement différemment en termes de conductivité, d’optique ou de robustesse d’un même matériau à l’échelle macroscopique. De plus, les nanoparticules ou nanoclusters ont une très grande surface catalytiquement efficace par rapport à leur volume. Pour de nombreuses applications, cela permet des économies de matière tout en conservant les mêmes performances.

Des chercheurs de l’Institut de physique expérimentale (IEP) de l’Université de technologie de Graz ont mis au point une méthode d’assemblage de nanomatériaux comme souhaité. Ils laissent des gouttelettes d’hélium superfluide d’une température interne de 0,4 Kelvin (soit moins 273 degrés Celsius) voler à travers une chambre à vide et introduisent sélectivement des atomes ou molécules individuels dans ces gouttelettes. «Là, ils fusionnent en un nouvel agrégat et peuvent être déposés sur différents substrats», explique le physicien expérimental Wolfgang Ernst de TU Graz. Il travaille sur cette soi-disant synthèse d’hélium-gouttelettes depuis maintenant vingt-cinq ans, l’a successivement développée pendant cette période et a produit une recherche continue au plus haut niveau international, principalement réalisée dans le « Cluster Lab 3 », qui a été créé spécifiquement à cet effet à l’IEP.

Renforcement des propriétés catalytiques

Dans Nano recherche, Ernst et son équipe rapportent maintenant la formation ciblée d’amas dits noyau-coquille utilisant la synthèse de gouttelettes d’hélium. Les amas ont un noyau de 3 nanomètres d’argent et une coquille d’oxyde de zinc de 1,5 nanomètre d’épaisseur. L’oxyde de zinc est un semi-conducteur qui est utilisé, par exemple, dans les détecteurs de rayonnement pour mesurer le rayonnement électromagnétique ou dans les photocatalyseurs pour décomposer les polluants organiques. La particularité de la combinaison de matériaux est que le noyau en argent fournit une résonance plasmonique, c’est-à-dire qu’il absorbe la lumière et provoque ainsi une forte amplification du champ lumineux. Cela met les électrons dans un état excité dans l’oxyde de zinc environnant, formant ainsi des paires électron-trou – de petites portions d’énergie qui peuvent être utilisées ailleurs pour des réactions chimiques, telles que des processus de catalyse directement sur la surface de l’amas. « La combinaison des deux propriétés du matériau augmente considérablement l’efficacité des photocatalyseurs. De plus, il serait envisageable d’utiliser un tel matériau dans la division de l’eau pour la production d’hydrogène », explique Ernst, en nommant un domaine d’application.

Nanoparticules pour capteurs laser et magnétiques

En plus de la combinaison argent-oxyde de zinc, les chercheurs ont produit d’autres amas intéressants noyau-coquille avec un noyau magnétique des éléments fer, cobalt ou nickel et une coquille d’or. L’or a également un effet plasmonique et protège également le noyau magnétique de l’oxydation indésirable. Ces nanoclusters peuvent être influencés et contrôlés à la fois par des lasers et par des champs magnétiques externes et conviennent par exemple aux technologies de capteurs. Pour ces combinaisons de matériaux, des mesures de stabilité en fonction de la température ainsi que des calculs théoriques ont été réalisés en collaboration avec le groupe de théorie IEP dirigé par Andreas Hauser et l’équipe de Maria Pilar de Lara Castells (Institut de physique fondamentale du Conseil national espagnol de la recherche CSIC , Madrid) et peut expliquer le comportement lors des transitions de phase telles que la formation d’alliages qui s’écarte des échantillons de matériaux macroscopiques. Les résultats ont été publiés dans le Journal de chimie physique.

Ernst espère maintenant que les résultats des expériences seront rapidement transférés dans de nouveaux catalyseurs «dès que possible».