Comment tirer des projectiles à travers des matériaux sans rien casser ?
Ça ressemble un peu à un tour de magie
Lorsque des particules chargées sont projetées à travers des couches ultrafines de matériaux, il se produit parfois des micro-explosions spectaculaires, parfois le matériau reste presque intact. C'est ce que vient d'expliquer la TU Wien.
Les auteurs de l'étude de la TU Wien : de gauche à droite : Friedrich Aumayr, Christoph Lemell, Anna Niggas, Alexander Sagar Grossek, Richard A. Wilhelm.
David Rath, TU Wien
Cela ressemble un peu à un tour de magie : certains matériaux peuvent être traversés par des ions rapides et chargés électriquement sans présenter de trous par la suite. Ce qui serait impossible au niveau macroscopique est autorisé au niveau des particules individuelles. Cependant, tous les matériaux ne se comportent pas de la même manière dans de telles situations. Ces dernières années, différents groupes de recherche ont mené des expériences dont les résultats étaient très différents.
À la TU Wien (Vienne, Autriche), il a maintenant été possible de trouver une explication détaillée des raisons pour lesquelles certains matériaux sont perforés et d'autres non. C'est intéressant, par exemple, pour le traitement des membranes minces, qui sont censées avoir des nanopores sur mesure afin d'y piéger, retenir ou laisser passer des atomes ou des molécules très spécifiques.
Matériaux ultraminces - le graphène et ses homologues
"Il existe aujourd'hui toute une série de matériaux ultraminces qui ne sont constitués que d'une ou de quelques couches atomiques", explique le professeur Christoph Lemell, de l'Institut de physique théorique de l'Université technique de Vienne. "Le plus connu d'entre eux est probablement le graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Mais des recherches sont également menées aujourd'hui dans le monde entier sur d'autres matériaux ultraminces, comme le disulfure de molybdène."
Dans le groupe de recherche du professeur Friedrich Aumayr à l'Institut de physique appliquée de la TU Wien, ces matériaux sont bombardés avec des projectiles très spéciaux - des ions hautement chargés. Ils prennent des atomes, généralement des gaz nobles comme le xénon, et les dépouillent d'un grand nombre d'électrons. Cela crée des ions dont la charge électrique est 30 à 40 fois supérieure. Ces ions sont accélérés et frappent ensuite la fine couche de matériau avec une grande énergie.
"Parfois, le projectile pénètre dans la couche de matériau sans qu'il en résulte une modification notable de ce dernier", explique Anna Niggas, physicienne expérimentale à l'Institut de physique appliquée. Parfois aussi, la couche de matériau autour du site d'impact est complètement détruite, de nombreux atomes sont délogés et un trou d'un diamètre de quelques nanomètres se forme."
La vitesse des électrons
Ces différences étonnantes s'expliquent par le fait que ce n'est pas la quantité de mouvement du projectile qui est principalement responsable des trous, mais sa charge électrique. Lorsqu'un ion à charge positive multiple frappe la couche de matériau, il attire une plus grande quantité d'électrons et les emporte avec lui. Cela laisse une région chargée positivement dans la couche de matériau.
L'effet que cela produit dépend de la vitesse à laquelle les électrons peuvent se déplacer dans ce matériau. "Le graphène possède une mobilité électronique extrêmement élevée. Cette charge positive locale peut donc être équilibrée en peu de temps. Les électrons arrivent simplement d'ailleurs", explique Christoph Lemell.
Dans d'autres matériaux comme le bisulfure de molybdène, en revanche, les choses sont différentes : là, les électrons sont plus lents, ils ne peuvent pas être amenés à temps de l'extérieur vers le site d'impact. C'est ainsi qu'une mini-explosion se produit à l'endroit de l'impact : Les atomes chargés positivement, auxquels le projectile a pris ses électrons, se repoussent mutuellement, s'envolent - et cela crée un pore de taille nanométrique.
"Nous avons maintenant pu développer un modèle qui nous permet d'estimer très bien dans quelles situations les trous se forment et dans lesquelles ils ne se forment pas - et cela dépend de la mobilité des électrons dans le matériau et de l'état de charge du projectile", explique Alexander Sagar Grossek, premier auteur de la publication dans la revue Nano Letters.
Le modèle explique également le fait surprenant que les atomes éjectés du matériau se déplacent relativement lentement : La vitesse élevée du projectile n'a aucune importance pour eux ; ils ne sont retirés du matériau par répulsion électrique que lorsque le projectile a déjà traversé la couche de matériau. Et dans ce processus, toute l'énergie de la répulsion électrique n'est pas transférée aux atomes pulvérisés - une grande partie de l'énergie est absorbée dans le matériau restant sous forme de vibrations ou de chaleur.
Les expériences et les simulations ont été réalisées à la TU Wien. La compréhension approfondie des processus de surface atomique qui en résulte peut être utilisée, par exemple, pour équiper spécifiquement les membranes de "nanopores" sur mesure. On pourrait par exemple construire un "tamis moléculaire" ou retenir certains atomes de manière contrôlée. On envisage même d'utiliser ces matériaux pour filtrer leCO2 de l'air. "Grâce à nos découvertes, nous avons désormais un contrôle précis de la manipulation des matériaux à l'échelle nanométrique. Pour la première fois, nous disposons d'un tout nouvel outil pour manipuler des films ultraminces de manière précisément calculable", déclare Alexander Sagar Grossek.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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