Faire des flaques de Quantum

Faire des flaques de Quantum

Une équipe de physiciens de l’Université du Vermont a découvert une nouvelle façon de mouiller les surfaces. Leur étude peut permettre aux scientifiques de créer les films de liquide les plus minces jamais réalisés et d’inventer une nouvelle classe de revêtements de surface et de lubrifiants de quelques atomes d’épaisseur.
«Nous avons appris ce qui contrôle l’épaisseur des films ultra-minces cultivés sur le graphène», explique Sanghita Sengupta, doctorante à UVM et auteur principal de la nouvelle étude. “Et nous avons maintenant un bon sens de ce que les conditions – comme les boutons que vous pouvez tourner – vont changer le nombre de couches d’atomes qui vont se former dans différents liquides.”
Une troisième voie
Pour comprendre la nouvelle physique, imaginez ce qui se passe quand la pluie tombe sur votre nouvel iPhone: il forme des perles à l’écran. Ils sont faciles à se débarrasser. Maintenant imaginez votre salle de bain après une longue douche: le miroir entier peut être recouvert d’une fine couche d’eau. «Ce sont deux exemples extrêmes de la physique du mouillage», explique Adrian Del Maestro, physicien UVM, co-auteur de la nouvelle étude: «Si les interactions à l’intérieur du liquide sont plus fortes que celles entre le liquide et la surface, Dans le cas contraire, la forte traction de la surface provoque la propagation du liquide, formant un film mince. ”
Il y a plus de 50 ans, les physiciens spéculaient sur une troisième possibilité – un phénomène étrange appelé «mouillage critique» où les atomes de liquide commenceraient à former un film sur une surface, mais cesseraient alors de se former lorsqu’ils n’avaient que quelques atomes d’épaisseur. Ces scientifiques dans les années 1950, dont le célèbre physicien soviétique Evgeny Lifshitz, n’étaient pas sûrs que le mouillage critique soit réel, et ils ne pensaient certainement pas pouvoir le voir en laboratoire.
Puis, en 2010, le prix Nobel de physique a été décerné à deux scientifiques russes pour la création d’une forme bizarre de carbone appelée graphène. C’est une feuille de carbone alvéolaire d’un atome d’épaisseur. C’est le matériau le plus solide au monde et il a de nombreuses qualités originales que les scientifiques des matériaux explorent depuis.
Le graphène s’avère être la «surface idéale pour tester le mouillage critique», explique Del Maestro – et avec elle, l’équipe du Vermont a maintenant démontré mathématiquement que le mouillage critique est réel.
Exploiter la force de Van der Waals
Les scientifiques ont exploré comment trois gaz légers – l’hydrogène, l’hélium et l’azote – se comporteraient près du graphène. Sous vide et dans d’autres conditions, ils ont calculé qu’une couche liquide de ces gaz commencerait à se former sur la feuille de graphène d’un atome d’épaisseur. Mais alors le film cesse de croître quand “il a dix ou vingt atomes d’épaisseur”, dit Valeri Kotov, un expert sur le graphène dans le département de physique d’UVM et l’auteur principal de l’étude.
L’explication peut être trouvée en mécanique quantique. Bien qu’un atome ou une molécule neutre – comme les gaz légers étudiés par l’équipe UVM – n’a pas de charge électrique globale, les électrons entourant constamment le noyau lointain (OK, “lointain” seulement à partir de l’échelle d’un électron) déséquilibres d’un côté de l’atome ou d’un autre. Ces changements dans la densité électronique donnent naissance à l’un des pouvoirs dominants mais faibles de l’univers: la force de Van der Waals. L’attraction qu’il crée entre les atomes ne s’étend que sur une courte distance.
En raison de la géométrie bizarre et parfaitement plane du graphène, il n’y a pas de charge électrostatique ou de liaison chimique pour retenir le liquide, laissant la force de puny van der Waals faire tout le levage lourd. C’est pourquoi le liquide attaché au graphène arrête d’attirer des atomes supplémentaires hors de la vapeur lorsque le film s’est développé pour n’être qu’à quelques atomes de la surface. En comparaison, même la couche d’eau la plus mince du miroir de votre salle de bain – formée par beaucoup plus de forces que les effets quantiques de la force de van der Waals – serait «de l’ordre de 109 atomes d’épaisseur», dit Del Maestro; c’est 1 000 000 000 d’atomes d’épaisseur.
Humidité appliquée
L’ingénierie d’une surface où ce type de force faible peut être observé s’est avérée très difficile. Mais l’explosion d’intérêt scientifique pour le graphène a permis aux scientifiques de l’UVM de conclure que le mouillage critique semble être un phénomène universel dans les nombreuses formes de graphène en cours de création et dans la famille croissante d’autres matériaux bidimensionnels.
Graphène suspendu avec un film mince
Les modèles des scientifiques montrent que, dans le vide, une feuille de graphène en suspension (ci-dessus) pourrait être manipulée pour créer un film liquide (atomes en bleu, ci-dessus) qui cesse de croître à une épaisseur de 50 nanomètres, jusqu’à un épaisseur de seulement trois nanomètres. “Ce qui est important, c’est que nous puissions accorder cette épaisseur”, dit Sengupta. En étirant le graphène, en le dopant avec d’autres atomes, ou en appliquant un champ électrique faible à proximité, les chercheurs ont des preuves que le nombre d’atomes dans un film ultra-mince peut être contrôlé.
L’ajustement mécanique du graphène pourrait permettre des changements en temps réel de l’épaisseur du film liquide. Nathan Nichols, un autre étudiant au doctorat d’UVM qui a travaillé sur la nouvelle étude, explique que cela pourrait être un peu comme tourner un «bouton de taille quantique» à l’extérieur d’une machine à l’échelle atomique. .
Maintenant, cette équipe de physiciens théoriciens – «Je commence à appeler ce que je fais de l’ingénierie diélectrique», dit Sengupta – est à la recherche d’une équipe de physiciens expérimentateurs pour tester leur découverte dans le laboratoire.
Une grande partie de la promesse initiale de graphène en tant que produit industriel n’a pas encore été réalisée. Une partie de la raison en est que beaucoup de ses propriétés spéciales – comme être un conducteur remarquablement efficace – disparaissent lorsque d’épaisses couches d’autres matériaux y sont collées. Mais avec le contrôle du mouillage critique, les ingénieurs pourraient personnaliser les revêtements à l’échelle nanométrique qui n’effaceraient pas les propriétés souhaitées du graphène, mais pourraient, selon Adrian Del Maestro, offrir une lubrification et une protection de «l’électronique et les écrans portables de nouvelle génération. “

Post Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.