Nouvelle méthode d'analyse des matériaux nanoporeux
Une méthode innovante ouvre de nouvelles possibilités pour la science des matériaux
En utilisant une seule image de microscope électronique, les chercheurs de l'Université technique de Graz peuvent déterminer le type et la position exacte des atomes invités dans les matériaux de haute technologie. Ils sont également sur le point de résoudre le mystère de la couleur bleue de l'aigue-marine.
Outre leurs principaux composants, les propriétés des matériaux cristallins et nanoporeux dépendent souvent de manière cruciale d'atomes ou d'ions invités qui sont intégrés dans les minuscules pores de leur structure en treillis. Cela s'applique aux matériaux de haute technologie utilisés dans les capteurs ou la technologie de séparation, ainsi qu'aux matériaux naturels. La pierre précieuse bleuâtre qu'est l'aigue-marine, par exemple, serait incolore sans ces composants invités. Il est difficile de déterminer le type et la position des composants invités, car de nombreux matériaux réagissent de manière sensible aux radiations émises par les microscopes électroniques. Grâce à une nouvelle méthode mise au point par une équipe dirigée par Daniel Knez et Ferdinand Hofer à l'Institut de microscopie électronique et de nano-analyse de l'Université technique de Graz (TU Graz), il est désormais possible de le faire avec moins de radiations et donc beaucoup plus facilement. "L'originalité de notre méthode réside dans le fait que nous pouvons déterminer la distribution tridimensionnelle des ions dans les canaux cristallins ou les nanopores à partir d'une seule image de microscope électronique", explique Daniel Knez.
La mystérieuse couleur bleue de l'aigue-marine
Les chercheurs ont développé leur méthode en analysant la pierre précieuse qu'est l'aigue-marine. Jusqu'à présent, on ne savait pas exactement où le fer qui donne à la pierre sa couleur bleue est positionné dans le cristal. Une hypothèse voulait que des atomes de fer individuels soient coincés dans les pores et créent cet effet à partir de là. Cette hypothèse a été réfutée. Dans leurs expériences, les chercheurs ont établi sans l'ombre d'un doute qu'il n'y a pas de fer dans les pores, mais des ions de césium. Les atomes de fer qui renforcent la couleur se trouvent à proximité des ions de césium, mais sont intégrés dans les colonnes du réseau cristallin.
Une seule image avec une résolution atomique comme base
Pour leurs expériences, les chercheurs ont enregistré une image dite de contraste Z du cristal d'aigue-marine à une résolution atomique à l'aide du microscope ASTEM, un microscope électronique à transmission à balayage. Le faisceau d'électrons du microscope ASTEM est focalisé sur la surface de l'échantillon de cristal et pénètre également dans les pores du matériau. S'il rencontre des ions stockés dans ces pores, ceux-ci apparaissent comme des points lumineux sur l'image. En se basant sur l'intensité du contraste avec les pores vides et les structures de réseau voisines, les chercheurs peuvent déterminer le type d'ions incorporés et estimer leur profondeur dans les pores. Ces données ont été analysées statistiquement et comparées à un grand nombre de simulations de la structure cristalline afin de pouvoir estimer les différents facteurs influençant le signal mesuré. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Communications Materials.
Une méthode innovante qui ouvre de nouvelles perspectives pour la science des matériaux
Outre la recherche fondamentale, la nouvelle méthode convient également au développement ciblé de nouveaux matériaux. "Notre méthode peut être utilisée pour déterminer avec précision la position des éléments dopants, c'est-à-dire des additifs ciblés contrôlant les fonctions, dans les matériaux nanoporeux tels que les zéolithes ou les composés de la structure métallo-organique", explique Ferdinand Hofer. Cela facilite l'optimisation des catalyseurs (à un seul atome) et des électrolytes à l'état solide dans les futures batteries ou le développement d'applications biomédicales pour contrôler l'absorption des médicaments.
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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