Quand Erik Luijten de Northwestern Engineering a rencontré Zbigniew Rozynek, ils devinrent aussitôt unis par un mystère.

Présentant à une conférence en Norvège, Rozynek, chercheur à l'Université Adam Mickiewicz à Pozna?, Pologne, a démontré quelque chose qui ressemblait presque à de la magie. Lorsqu'il a enfoncé une électrode en forme d'aiguille dans un mélange de la taille d'un micron, particules métalliques sphériques dispersées dans de l'huile de silicone, une sphère collée à son extrémité. Comme Rozynek a retiré l'électrode de la dispersion, une autre sphère attachée à la première sphère, et puis un autre à la deuxième sphère, etc, jusqu'à ce qu'une longue chaîne se forme.

"Les sphères se comportaient comme des billes magnétiques, sauf qu'aucun magnétisme n'était impliqué, " dit Luijten, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et d'ingénierie et de mathématiques appliquées à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Les particules n'ont pas tendance à se regrouper. J'ai réalisé que quelque chose de plus compliqué se passait."

Rozynek, avec ses collaborateurs Filip Dutka, Piotr Garstecki, et Arkadiusz Józefczak, et Luijten ont rejoint leurs équipes pour comprendre le phénomène qui a provoqué la formation de ces chaînes. La découverte qui en résulte pourrait conduire à une nouvelle génération d'appareils électroniques et à un méthode simple pour écrire des circuits électroniques bidimensionnels.

« Nos résultats scientifiques pourraient ouvrir d'autres domaines de recherche future, tant fondamentale qu'appliquée, " a déclaré Rozynek. "Nous travaillons déjà sur des projets de suivi basés sur notre découverte."

Soutenu par la Fondation pour la science polonaise, Centre national des sciences polonais, et la National Science Foundation des États-Unis, la recherche a été publiée en ligne aujourd'hui dans la revue Communication Nature . Rozynek et Luijten sont des auteurs co-correspondants. Rozynek est également co-premier auteur avec Ming Han, un doctorant au laboratoire de calcul de la matière molle de Luijten.

Rozynek et Han ont effectué plusieurs calculs, montrant comment le champ électrique de l'électrode modifiait les propriétés des particules. Lorsque l'électrode est plongée dans la solution colloïdale, sa pointe chargée polarise chaque sphère. Ces interactions dipolaires induites provoquent la liaison des sphères. Une chaîne résultante pourrait contenir des centaines de milliers de sphères, atteignant jusqu'à 30 centimètres de longueur.

Une fois que l'équipe a résolu le mystère de la formation des chaînes, il avait un deuxième mystère à résoudre. "Une autre partie fascinante est qu'une fois que nous avons retiré la chaîne du liquide, nous n'avions plus besoin d'appliquer un champ électrique pour maintenir la structure de la chaîne, " dit Han. " Après que le champ ait été éteint, la chaîne de particules stable est restée stable."

Après des mois d'enquête, Les équipes de Luijten et Rozynek ont ​​découvert que les chaînes maintenaient leurs structures grâce aux "ponts" liquides entre les particules adjacentes. Alors que les chercheurs retiraient la chaîne du liquide, l'huile de silicone s'accrochait aux parois de chaque particule, formant un boîtier autour de toute la chaîne et en la gardant intacte.

« La tension de surface joue un grand rôle ici, " dit Han. "Le pont liquide a fait que les particules se collent les unes aux autres. La physique ici est vraiment intéressante. La plupart des gens penseraient que si vous vouliez tenir la structure, alors vous auriez besoin d'appliquer le champ électrique. Mais ce n'est pas nécessaire dans notre système."

Une fois la chaîne flexible retirée du liquide, il peut être immédiatement traîné le long d'une surface et déposé pour créer un motif. Les chercheurs pensent que cette méthode pourrait être utilisée comme une alternative pour créer des circuits électroniques bidimensionnels. Si de la cire fondue est utilisée à la place de l'huile de silicone, Ensuite, la méthode pourrait également être utilisée pour construire des structures tridimensionnelles qui conservent leurs formes lorsque la cire refroidit et durcit.

"Bien que simple, notre méthode de fabrication de structures colloïdales est très élégante et peut être utilisée pour de nombreuses applications, " Rozynek a dit, « y compris la fabrication de pistes conductrices sur différents substrats à utiliser, par exemple, dans les applications électroniques.

Luijten et Rozynek pensent que la résolution de ce mystère pourrait potentiellement ouvrir la porte à des applications qu'ils ne peuvent pas prévoir aujourd'hui. En comprenant le fonctionnement de la méthode, ils peuvent mieux évaluer comment différents types de fluides ou niveaux de tension pourraient affecter les chaînes et modifier le résultat.

« Comprendre son fonctionnement le rend tellement plus facile à manipuler et à optimiser, " a déclaré Luijten. "Nous pouvons dire si la méthode fonctionnera mieux ou moins bien si les particules sont plus grosses ou si le champ électrique est plus fort. Cela n'est possible que parce que nous le comprenons. Autrement, vous auriez à examiner un ensemble infini de combinaisons."