Les doctorants Maayan Vizner Stern et Simon Salleh Atri sous la direction du Prof. Moshe Ben-Shalom, de l’Ecole de physique de l’Université de Tel-Aviv, ont développé une méthode permettant de créer des matériaux aux propriétés uniques en réalisant de nouveaux arrangements des couches d’atomes dans des matériaux stratifiés tels que le graphite. Le processus permet un changement rapide les propriétés des matériaux, et présente des applications potentielles dans les domaines de l’informatique, l’énergie et des moyens de communications.
L’étude a été publiée dans la revue Nature Review Physics.
Les chercheurs expliquent que les matériaux stratifiés, comme le graphite, substance qui compose la mine de crayon, sont similaires aux briques de Lego : bien que la brique elle-même soit difficile à démonter, les couches peuvent être facilement séparées et réassemblées de manières diverses, en raison de la faible intensité des liaisons qui relient les feuillets, de type Liaison de van der Waals (intersection électrique de faible intensité entre deux atomes). On peut ainsi obtenir des matériaux différents constitués exactement des mêmes couches, arrangées différemment.
Un nombre exponentiel de nouveaux matériaux
Comme les Lego, expliquent les chercheurs, les matériaux stratifiés présentent également des dispositions préférentielles pour lesquelles les couches s’emboitent naturellement (lorsque les protubérances de la brique se trouvent exactement au-dessus des celles de la brique adjacente). Mais, dans le cas des matériaux stratifiés, les protubérances sont des atomes individuels, et le glissement se produit par sauts entre eux (qui est le plus petit glissement possible).
Dans le cadre de la nouvelle étude, les chercheurs développent des méthodes pour influencer la disposition préférentielle entre les couches d’atomes pour déterminer le matériau obtenu. Par exemple, l’application d’une tension électrique, d’une pression mécanique ou l’ajout artificiel d’une charge entraîneront le glissement des couches vers la disposition souhaitée. Les chercheurs ont découvert que de tels dispositifs permettent de transiter efficacement d’un matériau à l’autre, même à température ambiante.
Maayan Wizner Stern explique : « La quantité de matériaux différents pouvant être obtenus augmente très rapidement avec le nombre de couches. Pour les matériaux stratifiés contenant deux types d’atomes, par exemple, il est possible de créer deux matériaux différents avec deux couches, six matériaux différents avec trois couches et 45 matériaux différents avec seulement cinq couches. Le basculement entre les différentes dispositions ouvre de nouvelles possibilités de modification des propriétés électriques, optiques et magnétiques. Par exemple, il est possible de glisser vers différentes dispositions de graphite avec deux états de polarisation électriques, et même d’en faire un matériau supraconducteur. Le principal défi technologique est d’une part de maintenir la stabilité de l’arrangement entre les feuillets pour qu’il « ne se détraque pas », et d’autre part, de créer des ondes de densité d’atomes qui glissent rapidement entre les couches pour leur permettre de passer d’un matériau à un autre ».
Contrôler la structure et les propriétés des matériaux
« La combinaison du glissement entre les couches avec des applications électroniques promet de rendre plus efficaces les processus de fabrication et d’élargir les possibilités d’utilisations technologiques innovantes », ajoute Simon Salleh Atri. « L’étude présente non seulement de nouvelles propriétés des matériaux, mais également de nouvelles méthodes pour accélérer et optimiser la transition entre eux ».
« La technologie que notre équipe développe permet de prévoir et de contrôler avec une précision maximale la structure et les propriétés des matériaux », conclut le Prof. Ben Shalom. « L’étude actuelle constitue une étape importante vers l’utilisation pratique des matériaux stratifiés dans les technologies futures avec des applications dans les domaines de l’informatique, l’énergie et les communications ».
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