Les scientifiques fabriquent des nanoparticules depuis plus de deux décennies dans des feuilles bidimensionnelles, cristaux tridimensionnels et amas aléatoires. Mais ils n'ont jamais réussi à faire courber ou plier une feuille de nanoparticules en une structure tridimensionnelle complexe. Aujourd'hui chercheurs de l'Université de Chicago, l'Université du Missouri et l'Argonne National Laboratory du département américain de l'Énergie ont trouvé un moyen simple de faire exactement cela.

Les résultats ouvrent la voie aux scientifiques pour concevoir des membranes avec un réglage électrique, propriétés magnétiques et mécaniques qui pourraient être utilisées en électronique et pourraient même avoir des implications pour la compréhension des systèmes biologiques.

Travaillant au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) et à l'Advanced Photon Source (APS), deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science situées à Argonne, l'équipe a obtenu des membranes de nanoparticules d'or recouvertes de molécules organiques pour s'enrouler en tubes lorsqu'elles sont frappées par un faisceau d'électrons. Tout aussi important, ils ont découvert comment et pourquoi cela se produit.

Les scientifiques enduisent des nanoparticules d'or de quelques milliers d'atomes chacune avec une molécule organique semblable à de l'huile qui maintient les particules d'or ensemble. Lorsqu'elles flottent sur l'eau, les particules forment une nappe; quand l'eau s'évapore, il laisse la feuille suspendue au-dessus d'un trou. "C'est presque comme une peau de tambour, " dit Xiao-Min Lin, le scientifique du Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique qui a dirigé le projet. "Mais c'est une membrane très fine constituée d'une seule couche de nanoparticules."

A leur grande surprise, lorsque les scientifiques placent la membrane dans le faisceau d'un microscope électronique à balayage, il s'est plié. Il s'est plié à chaque fois, et toujours dans le même sens.

"Cela a éveillé notre curiosité, " dit Lin. "Pourquoi se penche-t-il dans une direction ?"

La réponse réside dans les molécules organiques de surface. Ils sont hydrophobes :lorsqu'ils flottent sur l'eau, ils essaient d'éviter tout contact avec elle, ils finissent donc par se répartir de manière non uniforme sur les couches supérieure et inférieure de la feuille de nanoparticules. Lorsque le faisceau d'électrons frappe les molécules à la surface, il les amène à former une liaison supplémentaire avec leurs voisins, créant une contrainte asymétrique qui fait plier les membranes.

Zhang Jiang et Jin Wang, Le personnel de radiologie de l'APS, a trouvé un moyen ingénieux de mesurer l'asymétrie moléculaire, qui à seulement six angströms, ou environ six atomes d'épaisseur, est si petit qu'il ne serait normalement pas mesurable.

Subramanian Sankaranarayanan et Sanket Deshmukh au CNM ont utilisé les ressources de calcul haute performance du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du DOE et de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science, pour analyser la surface des nanoparticules. Ils ont découvert que la quantité de surface couverte par les molécules organiques et la mobilité des molécules à la surface ont toutes deux une influence importante sur le degré d'asymétrie dans la membrane.

"Ce sont des résultats fascinants, " a déclaré Fernando Bresme, professeur de physique chimique à l'Imperial College de Londres et éminent théoricien de la physique de la matière molle. "Ils font considérablement progresser notre capacité à fabriquer de nouvelles nano-structures aux formes contrôlées."

En principe, les scientifiques pourraient utiliser cette méthode pour induire un repliement dans n'importe quelle membrane de nanoparticules présentant une distribution asymétrique des molécules de surface. a dit Lin, "Vous utilisez un type de molécule qui déteste l'eau et comptez sur les surfaces de l'eau pour conduire les molécules à se distribuer de manière non uniforme, ou vous pouvez utiliser deux types de molécules différents. La clé est que les molécules doivent se répartir de manière non uniforme. »

La prochaine étape pour Lin et ses collègues est d'explorer comment ils peuvent contrôler la distribution moléculaire à la surface et donc le comportement de pliage. Ils envisagent de zapper seulement une petite partie de la structure avec le faisceau d'électrons, concevoir les contraintes pour obtenir des modèles de flexion particuliers.

"Vous pouvez peut-être plier ces choses dans des structures en origami et toutes sortes de géométries intéressantes, " dit Lin. "Cela ouvre des possibilités."