Dans cette nouvelle étude, les membres de l’équipe basés en Australie ont travaillé avec différents métaux – aluminium, bismuth, cuivre, nickel, étain, platine, argent et zinc – en les dissolvant dans du gallium liquide à haute température.
Lorsqu’on a laissé refroidir les solutions, des cristaux métalliques ont précipité alors que le gallium restait liquide. Le gallium liquide ayant une tension superficielle élevée, extraire les cristaux sans endommager leurs caractéristiques microscopiques s’est avéré un défi considérable.
Cependant, l’équipe a pu développer une méthode pour y parvenir en utilisant d’abord un champ électrique pour réduire la tension de surface du métal liquide, puis une filtration sous vide pour isoler les cristaux de métal du solvant.
Les cristaux se présentent sous différentes formes : cubes, tiges, plaques hexagonales et, dans le cas du zinc, flocons de neige.
De l’autre côté de la mer de Tasmanie, le professeur Nicola Gaston, spécialiste des matériaux de l’université d’Auckland, et les autres membres néo-zélandais de l’équipe ont effectué des simulations de dynamique moléculaire pour expliquer pourquoi des cristaux de formes différentes se sont formés à partir de différents métaux.
Le professeur Gaston a déclaré : “Ce que nous apprenons, c’est que la structure du gallium liquide est très importante. C’est nouveau, car nous pensons généralement que les liquides sont dépourvus de structure ou que leur structure est aléatoire.”
Les travaux, explique le scientifique, s’appuient sur une étude précédente explorant des catalyseurs potentiels qui a révélé que lorsque des métaux coûteux comme l’or ou le platine sont dissous dans du gallium liquide et qu’on les laisse ensuite cristalliser, ils forment différents motifs de surface. La nouvelle étude montre que ces motifs se poursuivent également sous la surface.
A partir de leurs simulations, les chercheurs ont déterminé que ce sont les résultats des interactions entre les structures atomiques du solvant du gallium liquide et les métaux dissous qui font émerger des cristaux de formes différentes.
Dans le cas du zinc, l’équipe explique que c’est la symétrie sextuple du métal – chaque atome étant entouré de six voisins à égale distance – qui a donné lieu à la conception du flocon de neige.
Le professeur Gaston a déclaré à Express.co.uk qu’avec le zinc, par exemple, “le métal liquide stabilise le plan hexagonal du cristal et déstabilise les autres faces – et nous obtenons ces flocons de neige”.
Elle poursuit : “Ce qui est vraiment très cool, c’est que nous allons pouvoir concevoir des nanostructures en utilisant ce principe.” Les nanostructures peuvent être utilisées pour diverses applications – de la catalyse de réactions industrielles à la détection de molécules dans l’air.
De plus, a-t-elle expliqué, le gallium étant liquide à température ambiante, le processus de conception des nanostructures sera très peu énergivore et ne produira aucun déchet.
Le professeur Gaston a ajouté : “Vous n’utilisez pas de solvants ou de molécules compliqués que vous devez ensuite jeter à la fin après avoir fabriqué les nanocristaux.
“Tout se passe dans un environnement à très basse température, et le gallium que vous utilisez pour former les structures est entièrement récupérable et réutilisable par la suite.”
Le professeur Gaston poursuit : “Contrairement aux approches descendantes pour former des nanostructures – en découpant la matière – cette approche ascendante repose sur l’auto-assemblage des atomes.
“C’est ainsi que la nature fabrique les nanoparticules, et c’est à la fois moins coûteux et beaucoup plus précis que les méthodes descendantes.”
“Si nous pouvons faire cela in situ, nous pouvons penser à créer des dispositifs électroniques pour l’informatique grâce à ce type de techniques à l’avenir également.”
Et, elle plaisante : “Il y a aussi quelque chose de très cool à créer un flocon de neige métallique.”