Des cristaux caractérisés par des liaisons « métavalentes » ont des propriétés spécifiques
Jean-Yves Raty, Maître de recherches FNRS du Groupe de physique des solides, interfaces et nanostructures (UR CESAM, SPIN Lab) de l’ULiège, vient de publier deux articles scientifiques remarqués dans la revue internationale Advanced Materials. Ces études ont été menées avec l’équipe du professeur Wuttig de l’Université d’Aix-la-Chapelle et des collaborateurs en Belgique, en France et en Italie. Les chercheurs présentent une étude théorique (ab initio) originale de la liaison chimique dans les solides, étude qui permet de situer tous les types de cristaux sur une « carte » à deux dimensions.
"La particularité de cette carte est que, si elle sépare très nettement les cristaux semi-conducteurs, métalliques, ioniques et résonants (comme le graphite), une partie importante de la carte est occupée par des cristaux dans lesquels les liaisons sont « incomplètes », explique Jean-Yves Raty. Ces liaisons, qui assurent cependant la cohésion du cristal, sont en effet trop nombreuses pour le nombre d’électrons disponibles, raison pour laquelle nous les avons appelées « métavalentes », ou MVB pour Metavalent Bonding. »
Cette carte à deux dimensions s’avère plus intéressante encore lorsqu’on considère certaines propriétés électroniques, optiques ou vibrationnelles. En effet, il apparaît que les liaisons métavalentes sont responsables de comportements assez uniques et que les composés présentant ces liaisons sont le plus souvent de bons matériaux pour la récupération de la chaleur et sa transformation en électricité (la thermoelectricité), des isolants topologiques, des supraconducteurs, ou des matériaux utilisables pour l’enregistrement de données par changement de phase dans de nouveaux types de mémoires rapides et non-volatiles.
« Nos calculs ont déjà été en partie confirmés par des expériences menées par le Pr Wuttig; ce dernier présentera d’ailleurs nos résultats à l’ULiège le jeudi 7 février »
« Évidemment, nos travaux demandent à être poursuivis afin de mieux expliquer ces liaisons métavalentes et de savoir jusqu’à quel point elles peuvent être manipulées pour créer des matériaux innovants avec des fonctionnalités exacerbées. La question vient d’être posée par un éditorialiste de renom et relevée dans la revue Science », conclut Jean-Yves Raty.
Sur une carte bidimensionnelle où les axes représentent la quantité d’électrons transférés entre atomes et ceux qui sont réellement partagés entre voisins, les différents types de cristaux occupent des régions distinctes (semi-conducteurs, métalliques, ioniques). Une zone représentée en vert contient des cristaux dont les liaisons sont incomplètes, qualifiées de ‘métavalentes’. Lorsqu’on regarde les atomes, on voit que ces liaisons se forment par la délocalisation (en vert) de liaisons initialement covalentes (rouges), pour former des liaisons plus ‘molles’ (la ‘dureté’ des liaisons est ici représentée de manière symbolique par des ressorts), mais aussi beaucoup plus polarisables.
Sources
A Quantum‐Mechanical Map for Bonding and Properties in Solids
J.Y. Raty, M. Schumacher, P. Golub, V. Deringer, C. Gatti and M. Wuttig, Advanced Mater. (2018) 1806280
Incipient Metals: Functional Materials with a Unique Bonding Mechanism
M. Wuttig, V. Deringer, X. Gonze, C. Bichara and J.Y. Raty, Advanced Mater. (2018) 1803777
