Dans la recherche qui peut aider à combler le fossé entre le nano et le macro, Les chimistes de l'Université Brown ont utilisé des nanoparticules en forme de pyramide pour créer ce qui pourrait être la superstructure macroscopique la plus complexe jamais assemblée. Le chimiste brun Ou Chen tient une maquette de l'un de ses blocs de construction de points quantiques. Crédit :Université Brown
Des chercheurs de l'Université Brown ont assemblé des superstructures macroscopiques complexes à partir de blocs de construction de nanoparticules en forme de pyramide. La recherche, décrit dans le journal La nature , démontre une nouvelle façon prometteuse d'apporter les propriétés utiles des nanoparticules à des matériaux et des dispositifs à grande échelle.
"Il y a eu beaucoup de recherches sur la fabrication de superstructures à partir de nanoparticules sphériques, mais beaucoup moins en utilisant des blocs de construction tétraédriques, " dit Ou Chen, professeur adjoint de chimie à Brown et auteur principal de l'étude. "Les tétraèdres ouvrent la possibilité de faire des structures beaucoup plus complexes, et la superstructure 3D que nous démontrons ici est l'une des plus complexes jamais assemblées à partir de composants nanoparticulaires uniques."
Le groupe de recherche de Chen a développé les blocs de construction utilisés dans l'étude il y a un an. Les particules sont des points quantiques, des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique capables d'absorber et d'émettre de la lumière. Leur forme tétraédrique (en forme de pyramide) présente des avantages importants par rapport aux sphères, Chen dit, lorsque vous les utilisez pour construire des structures plus grandes. Les tétraèdres peuvent s'entasser avec moins d'espace vide que les sphères, rendant les structures potentiellement plus robustes. En outre, les particules utilisées dans l'étude sont anisotropes, ce qui signifie qu'ils ont des propriétés différentes en fonction de leur orientation les uns par rapport aux autres. Sphères, d'autre part, sont les mêmes dans tous les sens.
Dans le cas des boîtes quantiques tétraédriques, l'anisotropie a été générée en traitant une face plane, ou facette, de chaque pyramide avec un ligand différent (un agent de liaison chimique) des autres facettes.
"Les ligands aident à diriger le processus de contact qui se produit lorsque deux particules se rencontrent face à face, " dit Yasutaka Nagaoka, chercheur postdoctoral dans le groupe de Chen et le principal contributeur du projet. "Dans ce cas, les facettes avec des ligands similaires s'attirent, qui offre un degré de contrôle sur la façon dont les particules s'arrangent."
C'est contrairement aux sphères isotropes, qui s'arrangent au hasard.
Image agrandie d'une superstructure construite à partir de blocs de construction tétraédriques à l'échelle nanométrique. Les bords des blocs mesurent chacun environ neuf nanomètres de long. Les superstructures construites à partir d'eux mesurent entre 200 et 300 micromètres de diamètre. Crédit :Chen Lab/Université Brown
"L'anisotropie ajoute à la complexité des superstructures que nous pouvons fabriquer par rapport à l'utilisation de sphères isotropes, " a déclaré Chen. " Cela nous donne également un certain pouvoir de contrôler l'alignement atomique des particules dans les supercristaux, ce qui pourrait donner lieu à des propriétés intéressantes. Par exemple, vous pouvez prédire que l'alignement donnera lieu à de meilleures propriétés électroniques car les électrons sautent plus facilement à travers le réseau de la superstructure."
Pour leur étude, Chen et ses collègues ont dissous leurs points quantiques tétraédriques en solution, ensuite permis aux particules de s'assembler en trois types différents de superstructures :des brins unidimensionnels, des réseaux cristallins bidimensionnels et des supercristaux tridimensionnels.
Les supercristaux 3-D étaient particulièrement intéressants, Chen dit, en raison de leur complexité et de la manière intéressante dont ils se sont formés. Les nanoparticules individuelles ont d'abord formé des grappes en forme de boule de 36 particules chacune. Ces amas formaient alors les plus grandes superstructures. Lorsque les chercheurs ont caractérisé la structure en détail à l'aide de la diffusion des rayons X, ils ont constaté que la structure atomique du réseau était bien alignée, comme ils l'avaient espéré.
Maintenant qu'ils ont montré une méthode pour former les structures, l'étape suivante consiste à interroger leurs propriétés.
"Les blocs de construction des points quantiques sont intéressants en eux-mêmes, " a dit Chen. " Ils ont une dynamique de photons intéressante, ce qui peut se traduire par des propriétés optiques intéressantes dans les superstructures.
"Nous devons comprendre comment assembler ces structures plus grandes et plus complexes, ", a-t-il déclaré. "Je pense qu'il s'agira d'un pont qui amènera la dynamique à l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique et permettra de nouveaux types de métamatériaux et de dispositifs."
