Fluides puis solides, les surprenantes déformations des nanofils d'or

L'infiniment petit n'est pas toujours régi par les mêmes règles que le monde macroscopique, et certains concepts bien ancrés y perdent leur sens. Dans des travaux publiés dans Nature, des physiciens ont ainsi montré que des solides de quelques atomes d'épaisseur peuvent se comporter comme des fluides en fonction de leur excitation.


À notre échelle, distinguer un liquide d'un solide peut sembler évident: face à une contrainte, l'un s'écoule alors que l'autre se déforme. Mais qu'en est-il de l'infiniment petit ? Ces catégories ne sont plus si bien définies et comprises une fois confrontées à des assemblages de seulement quelques atomes. Les nanosciences manquent en effet d'études plongeant à des échelles subnanométriques. Des chercheurs du Laboratoire de physique de l'ENS (LPENS, CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/Université Paris Diderot) ont donc décrit le comportement d'un nanofil d'or, un matériau choisi pour sa mobilité et sa malléabilité, excité par un diapason. Conçu en quartz et mesurant quelques millimètres, il est inspiré des oscillateurs que l'on retrouve dans les montres et est installé à la pointe d'un microscope à force atomique.

Le diapason est mis en contact avec une surface d'or et, quand on l'en éloigne extrêmement lentement, un nanofil d'or de quelques atomes d'épaisseur se forme entre les deux. Plus on excite le diapason, et plus le nanofil est soumis à une déformation contrôlée. Sa réponse mécanique est mesurée à travers le diapason grâce à la piézoélectricité. Le nanofil se comporte d'abord comme un solide élastique puis, avec l'augmentation de la stimulation, passe à un régime plastique, où les déformations deviennent irréversibles. Enfin, il finit par agir comme un fluide visqueux, alors qu'il est toujours techniquement défini comme un solide cristallin dépourvu de défaut. Un phénomène qui évoque les mousses et les émulsions, mais à un ordre de grandeur huit fois inférieur. Cette première étude de la rhéologie d'une jonction d'atomes d'or dévoile une "fluidification" contre-intuitive des solides à l'échelle atomique. Cette découverte amène à repenser la modélisation classique d'un solide sous contrainte, et permet de mieux appréhender les frictions à l'échelle macroscopique. Des éléments essentiels pour le développement de la nanoélectronique et des nanotechnologies en général.

Référence

Atomic rheology of gold nanojunctions, Jean Comtet, Antoine Lainé, Antoine Niguès, Lydéric Bocquet et Alessandro Siria, Nature, le 8 mai 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1178-3.