La rugosité cachée de la surface du saphir

Pourquoi certaines surfaces se comportent-elles très différemment de ce que les calculs théoriques suggèrent ? Les scientifiques ont longtemps supposé que la surface d'oxyde d'aluminium devait être très réactive et capable de diviser les molécules d'eau. Or, dans les expériences, ce comportement est à peine observé.

À la TU Wien, des chercheurs ont trouvé une réponse qui pourrait également contribuer à expliquer le comportement de nombreux autres matériaux : À l'échelle atomique, la surface est complètement différente de ce que l'on pensait. Au lieu d'une surface lisse et régulièrement ordonnée, les atomes extérieurs sont disposés de manière irrégulière, ce qui modifie considérablement les propriétés chimiques de la surface.

Une surface étonnamment peu réactive

"Pendant des décennies, les chercheurs ont supposé qu'en coupant l'oxyde d'aluminium le long de son plan de base, on obtenait une surface terminée par une couche régulière d'atomes d'aluminium", explique Jan Balajka, auteur correspondant de l'étude. Une telle surface devrait être très réactive et catalyser les réactions chimiques, par exemple la dissociation des molécules d'eau en atomes d'hydrogène et en groupes OH. Mais les expériences se sont révélées décevantes : La réactivité observée est loin de correspondre aux prévisions théoriques.

Imagerie de la surface avec une résolution atomique

Les chercheurs du groupe de physique des surfaces du professeur Ulrike Diebold de l'Institut de physique appliquée de l'Université technique de Vienne ont étudié la surface en combinant les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité et la microscopie à force atomique sans contact. Cette technique d'imagerie précise permet de résoudre la surface atome par atome.

Les résultats ont été surprenants. "La surface n'est pas lisse et régulièrement ordonnée", explique Ulrike Diebold. "Au contraire, nous avons découvert qu'elle est remarquablement irrégulière et rugueuse à l'échelle atomique".

Seules de minuscules régions de la surface sont constituées d'atomes d'aluminium ordonnés qui, comme on s'y attendait, couvrent toute la surface. Après quelques nanomètres seulement, cette structure régulière s'effondre et la surface devient rugueuse, avec des variations locales de hauteur couvrant plusieurs couches atomiques.

La géométrie détermine la chimie

"Ce désordre à l'échelle atomique a un effet décisif sur le comportement chimique de la surface", explique Jan Balajka. "La théorie précédemment acceptée peut être correcte pour les petites régions régulières, mais la majeure partie de la surface est rugueuse et inhomogène, et se comporte donc très différemment."

Les résultats montrent que la structure à l'échelle atomique doit être prise en compte lors de l'étude des réactions chimiques sur les surfaces - non seulement pour l'oxyde d'aluminium, mais aussi pour de nombreux autres matériaux utilisés dans la catalyse, la croissance de couches minces et d'autres applications technologiques.

L'étude montre que le comportement chimique d'un matériau ne peut pas être compris uniquement à partir de sa composition chimique. La structure à l'échelle atomique de la surface est tout aussi importante. Même les surfaces qui semblent parfaitement lisses au microscope ordinaire peuvent, à l'échelle des atomes individuels, être constituées d'un paysage très irrégulier avec des propriétés chimiques locales très différentes.