Comment le noyau atomique influence les forces de van der Waals
Publié par Redbran le 08/10/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
En synthétisant des feuillets de nitrure de bore contenant des proportions différentes des deux isotopes du bore, des physiciens viennent de montrer comment la masse du noyau atomique affecte les propriétés physiques du composé, et notamment la distance et force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) d'attraction entre feuillets voisins.


Nuages électroniques dans 10BN (a) et 11BN (b)

Les isotopes d'un même élément chimique diffèrent par le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrons présents dans leur noyau. Les différences de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) et de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) qui en découlent ont de nombreuses conséquences sur les propriétés des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) élaborés à partir de ces divers isotopes: décalage en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des modes de vibration, propriétés électroniques modifiées et même décalage de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid...) de transition pour les supraconducteurs. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui...), des physiciens du Laboratoire Charles Coulomb, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Européen des Membranes, de l'Institut des Sciences de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...) Jaume Almera du CSIC à Barcelone (Barcelone (Barcelona en catalan et en castillan) est une commune de Catalogne - Espagne, située dans la province de Barcelone. Elle est la capitale historique, administrative et économique de la...), et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) d'État du Kansas viennent d'analyser les effets isotopiques dans le nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) hexagonal. Ils ont notamment démontré que la nature isotopique du bore entrant dans ce composé lamellaire affecte les forces de Van der Waals qui assurent la cohésion entre les couches monoatomiques superposées. Ce travail est publié dans la revue Nature Materials.

Le bore naturel est composé de 20 % d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) 10B et 80 % d'atomes 11B. Pour ce travail, les physiciens ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord synthétisé du nitrure de bore hexagonal, à partir de bore naturel ainsi qu'à partir de chacun des deux isotopes purifiés. Ils ont alors effectué des mesures sur ces trois matériaux au moyen de plusieurs techniques complémentaires, notamment la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La...) de rayons X, la spectroscopie Raman et la photoluminescence en ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la...) profond. Ces mesures ont montré des différences significatives entre les densités électroniques de ces composés.

Plus spécifiquement, les chercheurs ont tout d'abord revisité, dans le composé lamellaire modèle que constitue le nitrure de bore hexagonal, les effets bien connus dans les semiconducteurs cubiques, de décalage énergétique des modes vibrationnels et électroniques avec la masse de l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le...): dans le nitrure de bore hexagonal, l'énergie des phonons diminue bien avec la masse du bore, alors que l'énergie de bande interdite augmente. En revanche, l'effet de la purification isotopique sur les forces de Van der Waals assurant la stabilité des composés lamellaires restait inexploré. En diminuant la masse du bore, les chercheurs ont mis en évidence une augmentation de l'exposant (Exposant peut signifier:) décrivant la loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) reliant la distance inter-feuillet à l'énergie des modes de cisaillement entre feuillets. D'autre part, ils ont montré une augmentation de la contribution des modes de respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz...) entre feuillets à l'élargissement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) des raies d'émission. Enfin, ils ont pu observer directement la déformation des nuages électroniques dans les cristaux purifiés en 10B et 11B.

Par le biais du couplage électron-phonon, le changement de masse de 10 % entre 10B et 11B modifie les forces de van der Waals entre les feuillets du nitrure de bore hexagonal, avec une exaltation de quelques pourcents dans 10BN par rapport à 11BN.

Références publications:
Isotope engineering of Van der Waals interactions in hexagonal boron nitride
T. Q. P. Vuong, S. Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de l'astronomie chinoise. Son étoile référente (c'est-à-dire celle qui délimite la...), A. Van der Lee, R. Cusco, L. Artus, T. Michel, P. Valvin, J. H. Edgar, G. Cassabois et B. Gil
Nature Materials (2017), doi: 10.1038/nmat5048
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Contacts chercheurs:
- Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Cassabois, Professeur à l'Université de Montpellier
- Bernard Gil, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
- Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS/Univ. Montpellier)
- Institut Européen des membranes (IEM, CNRS/ENSC Montpellier/Univ.Montpellier)
- Institut Jaume Almera Consejo superior de investigaciones cientificas - Barcelone (CSIC)
- Kansas State University
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