Les cristaux montrent la voie aux nanomatériaux
À l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, une équipe a utilisé les dernières techniques de métrologie in-situ pour montrer comment les matériaux croissent à l'échelle nanométrique. À cette échelle minuscule, les matériaux se comportent de façon différente et les connaissances apportées par INSITUNANO visent à surmonter l'un des principaux goulets d'étranglement freinant leur utilisation industrielle. «Nous disposons d'un grand nombre de matériaux très intéressants mais ils ne sont pas utilisés dans de nouveaux produits car beaucoup de choses restent encore à découvrir au niveau fondamental», déclare Stephan Hofmann, coordinateur du projet et professeur de nanotechnologie à l'Université de Cambridge. «Si nous voulons intégrer ces nouveaux matériaux et les fabriquer de façon fiable, nous devons savoir comment ils croissent.» L'équipe a largement utilisé les derniers développements de la métrologie, y compris la microscopie électronique en transmission in-situ et à balayage et la spectroscopie photoélectronique X à haute pression, afin d'enregistrer in-situ, atome après atome, la croissance de matériaux tels que les nanotubes de carbone, les nanofils semi-conducteurs et les matériaux bidimensionnels comme le graphène. Non seulement les vidéos ainsi réalisées, qualifiées de véritable «Eurêka» par le professeur Hofmann, passent très bien lors des conférences, mais elles ont également révélé des modèles de croissance complètement nouveaux. «La microscopie électronique en transmission in-situ des nanofils a vraiment bien fonctionné, ce qui nous a permis de réaliser des avancées cruciales pour comprendre comment ils croissent et comment contrôler la nucléation», déclare le professeur Hofmann. Comme l'indique l'article(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) publié dans la revue Nature en mars 2016, ces avancées pourraient ouvrir de nouvelles perspectives à l'ingénierie en phase cristalline et nous permettre de façonner les nanofils comme nous le souhaitons, un grand pas en avant pour la science des matériaux. Une priorité pour l'industrie Ces connaissances n'intéressent pas seulement les scientifiques. L'amélioration de la caractérisation et du contrôle constitue également une priorité pour les fabricants souhaitant intégrer de nouveaux nanomatériaux à leurs appareils. «Avec les nanomatériaux, les relations entre structure et propriétés sont très étroites et vous devez donc avoir un niveau de contrôle très élevé», déclare le professeur Hofmann, «chose que vous n'avez pas aujourd'hui dans la fabrication à grande échelle.» L'une des priorités de INSITUNANO a été de combler le fossé entre la recherche fondamentale et les conditions pour la production de masse. Dans le cas du graphène, un nanomatériau très prometteur pour l'industrie, l'équipe a utilisé des techniques avancées à base de rayons X, non seulement pour contrôler la croissance, mais également pour déterminer comment s'interface le graphène. «Il s'agissait par exemple de savoir comment il croît sur une certaine surface ou comment sa surface se modifie lorsque vous l'exposez à l'air», déclare le professeur Hofmann, «les fabricants doivent connaître la stabilité d'un matériau dans certains environnements: par exemple, avons-nous besoin d'un vide poussé ou pouvons-nous composer avec une atmosphère malpropre?» Une adhésion inspirée du gecko L'équipe a utilisé ses connaissances pour développer directement des dispositifs destinés à des usages spécifiques. Elle a ainsi étudié les performances d'anodes nanostructurées dans les batteries Li-ion. Les chercheurs ont conçu de nouvelles structures adhésives sèches à base de forêts denses de nanotubes, capables d'imiter les coussinets adhésifs recouvrant les pattes du gecko et leur permettant de courir à l'envers au plafond. Les chercheurs ont également étudié comment intégrer les cristaux dans de nouvelles architectures de dispositifs, en les utilisant comme éléments constitutifs pour l'étape suivante. «Ce qui est passionnant, c'est l'éventail toujours plus large des nouveaux matériaux utilisables», déclare le professeur Hofmann, «nous devons apprendre comment les fabriquer et les combiner avec les matériaux existants. L'approche in-situ nous permet de voir dans le futur.»
