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Un interrupteur magnéto-électro-chimique

7 août 2014

IPCMS - UMR 7504

Des physiciens ont réalisé un interrupteur électrique dont le fonctionnement repose sur la formation et la destruction chimique de nanofils de nickel pilotée par un champ magnétique.

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Un champ magnétique peut déplacer l’équilibre d’une réaction chimique où interviennent des molécules paramagnétiques. Alors que jusqu’à présent, seule l’intensité de ce champ magnétique était considérée, des physiciens de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg – IPCMS (CNRS/Université de Strasbourg) viennent de montrer que des variations spatiales intenses du champ magnétique peuvent avoir une influence prépondérante sur un équilibre chimique. La taille nanométrique de leur dispositif expérimental leur a permis d’obtenir un important gradient de champ entre deux électrodes magnétiques distantes de quelques nanomètres. La force exercée par ce gradient sur les ions nickel présents en solution est attractive ou répulsive selon l’orientation du champ magnétique par rapport aux électrodes. La conséquence est radicale : des nanofils de nickel reliant les électrodes se forment ou se détruisent selon le déplacement de l’équilibre chimique vers la forme réduite ou oxydée du nickel initialement présent en solution. Ceci se traduit par une variation d’un facteur supérieur à 1000 de la résistance électrique du dispositif. Ce travail est publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Cette découverte ouvre de nombreuses possibilités de contrôle d’équilibre chimique, ainsi que d’applications en termes de détections de molécules ou de réalisation d’interrupteurs (électro)chimiques.

L’influence d’un champ magnétique sur l’équilibre chimique est actuellement très étudiée notamment à propos de la photosynthèse, du sens magnétique de certains oiseaux ou encore des effets sur la santé d’un champ magnétique. Ce champ influence l’état quantique dans lequel se trouvent les réactifs et peut ainsi favoriser ou défavoriser une réaction. L’effet d’un gradient de champ magnétique est tout autre : il crée une force sur les molécules, et, selon leur état les attire ou les repousse des zones de champ intense. Dans les conditions habituelles, cet effet est négligeable et n’est pas en mesure de modifier les réactions chimiques. En revanche, lorsque l’on diminue la taille des dispositifs produisant le champ, et c’est ce qu’on fait les auteurs de ce travail, il est possible d’obtenir des forces dues aux gradients de champ de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux précédemment reportés dans la littérature. Les chercheurs ont placé, dans une solution contenant des ions Ni++, deux électrodes ferromagnétiques distantes de seulement quelques nanomètres. La direction de l’aimantation de ces électrodes est ajustée à l’aide d’un champ magnétique extérieur. Lorsque l’orientation de cette aimantation est perpendiculaire avec les électrodes, les ions nickel sont repoussés de l’entrefer tandis que lorsque l’orientation est parallèle, ils sont attirés. Les chercheurs ont alors observé que le processus de réduction d’ions Ni++ en solution est favorisé lorsque le champ de forces est répulsif tandis que c’est l’oxydation qui est privilégiée lorsque le champ est attractif. Ceci permet la fermeture ou l’ouverture électrique d’un pont métallique constitué de nanofils de Ni entre les deux électrodes. On obtient ainsi un interrupteur magnétoelectrochimique, permettant le passage d’un courant électrique piloté par l’orientation magnétique des électrodes, contrôlé chimiquement.

Il est possible d’estimer la contribution énergétique des forces magnétiques, atteignant des valeurs d’énergies de liaisons chimiques faibles, communément rencontrées dans la chimie supramoléculaire. Ceci permet d’envisager l’application de forces magnétiques pour le contrôle d’architectures moléculaires utilisables pour l’électronique organique ou d’importance dans les processus biochimiques.

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Champ de forces magnétiques, dans le plan médian séparant deux électrodes de Ni, sous champ externe vertical. Source : C. Andreas, R. Hertel.

En savoir plus

The magnetoelectrochemical switch
P. Lunca Popa2, N. T. Kemp3, H. Majjad1, G. Dalmas1, V. Faramarzi1, C. Andreas1,4, R. Hertel1 et B. Doudin1, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2014 111 (29) 10433-10437 ; doi:10.1073/pnas.1322828111

Contact chercheur

Bernard Doudin, professeur de l’Université de Strasbourg

Informations complémentaires

1 Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS)
2 Département Science et Analyse des Matériaux, Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann, Luxembourg
3 Department of Physics, University of Hull, UK
4 Peter Grünberg Institut (PGI-6), Forschungszentrum Jülich GmbH, Germany

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp.com cnrs.fr