Des nanoparticules de deux tailles différentes se détachent des conceptions symétriques.
Des cristaux complexes qui imitent les métaux, y compris une structure pour laquelle il n’existe pas d’équivalent naturel, peuvent être obtenus grâce à une nouvelle approche pour guider l’auto-assemblage des nanoparticules.
Plutôt que de simples nanoparticules qui servent d ‘«équivalents d’atomes», les cristaux produits et interprétés par la Northwestern University, l’Université du Michigan et le Laboratoire national d’Argonne reposent sur des particules encore plus petites qui simulent des électrons.
L’illustration structurelle montre le triple-double-gyroïde, une nouvelle nanostructure cristalline découverte par les chercheurs de l’Université Northwestern, de l’Université du Michigan et du Laboratoire national d’Argonne. Il n’a jamais été trouvé dans la nature ou synthétisé auparavant. Les boules translucides en rouge, vert et bleu montrent les positions des grosses nanoparticules. Chaque couleur représente une structure à double gyroïde. Les boules et les bâtons gris foncé montrent les emplacements des particules plus petites, semblables à des électrons, dans l’un des trois types de sites dans lesquels ces particules apparaissent. La formation de cette nouvelle structure cristalline est le résultat de la façon dont les nanoparticules de type électronique contrôlent le nombre de voisins autour des nanoparticules plus grosses. Crédit image : Sangmin Lee, groupe Glotzer
« Nous avons appris quelque chose de fondamental sur le système de fabrication de nouveaux matériaux », a déclaré Northwestern. Tchad Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences et auteur co-correspondant de l’article dans Nature Materials. « Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de conception et de synthèse des matériaux. »
Les nanoparticules ont le potentiel de créer de nouveaux matériaux avec des propriétés qui peuvent être conçues avec soin, mais l’un des grands défis consiste à faire en sorte que ces matériaux s’auto-assemblent. Les nanostructures sont trop petites et trop nombreuses pour être construites brique par brique.
Les cristaux colloïdaux sont une famille de réseaux auto-assemblés constitués de nanoparticules, avec des applications potentielles en photonique. Les cristaux capables de transformer la lumière peuvent être conçus pour tout, des capteurs de lumière et des lasers aux communications et à l’informatique.
« L’utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d’atomes métalliques, est une toute nouvelle approche pour construire des structures cristallines colloïdales complexes », a déclaré Sharon Glotzer, directeur du département de génie chimique Anthony C. Lembke à l’UM et auteur co-correspondant.
L’équipe de Mirkin a créé des cristaux colloïdaux en enrobant des nanoparticules métalliques d’ADN pour les faire coller les unes aux autres. Les brins d’ADN sont auto-complémentaires, ce qui signifie qu’ils se lient les uns aux autres. En ajustant des paramètres tels que la longueur de l’ADN et la densité du revêtement des nanoparticules, les nanoparticules métalliques peuvent être « programmées » pour s’organiser de manière spécifique. En conséquence, ils sont appelés équivalents d’atomes programmables.
Cependant, les «atomes» de ce cristal – des sphères avec un revêtement uniforme d’ADN – sont les mêmes dans toutes les directions, ils ont donc tendance à construire des structures symétriques. Pour construire des structures moins symétriques, ils avaient besoin de quelque chose pour briser la symétrie.
« S’appuyant sur la découverte antérieure par Chad d' »équivalents d’électrons » avec Monica Olvera De La Cruz de Northwestern, nous avons exploré des structures plus complexes où le contrôle du nombre de voisins autour de chaque particule produisait une rupture de symétrie supplémentaire », a déclaré Glotzer.
Des sphères métalliques plus petites, avec moins de brins d’ADN pour les rendre moins collantes, finissent par agir comme des électrons dans un arrangement d' »atomes » de nanoparticules plus gros. Ils ont parcouru l’intérieur de la structure, stabilisant le réseau de grosses nanoparticules. L’équipe de Mirkin a fait varier l’adhérence des nanoparticules « d’électrons » pour obtenir différentes structures, ainsi que la modification de la température et du rapport « atomes » et « électrons » des nanoparticules.
Ils ont analysé ces structures à l’aide d’études de diffusion de rayons X aux petits angles réalisées avec BYeongdu Lee, physicien au Laboratoire national d’Argonne et auteur co-correspondant. Ces données ont révélé trois structures complexes à faible symétrie. L’un, dont les tunnels torsadés sont connus sous le nom de structure triple double gyroïde, n’a pas d’équivalent naturel connu.
Ces nouveaux cristaux colloïdaux à faible symétrie offrent des propriétés optiques et catalytiques qui ne peuvent être obtenues avec d’autres cristaux, et la méthode de rupture de symétrie promet de nombreuses autres nouvelles structures. L’équipe de Glotzer a développé des simulations informatiques pour recréer les résultats de l’auto-assemblage, aidant à déchiffrer les modèles complexes et révélant les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de les créer.
« Nous sommes au milieu d’une ère sans précédent pour la découverte de matériaux », a déclaré Mirkin. « Il s’agit d’un autre pas en avant dans la sortie de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis et dans des applications qui peuvent exploiter leurs incroyables propriétés. »
La source: Université du Michigan
