Chen et ses collègues n'avaient pas initialement entrepris de rechercher des quasi-cristaux. Une grande partie du travail de Chen a consisté à combler le fossé entre les mondes à l'échelle nanométrique et macroscopique en construisant des superstructures à partir de blocs de construction de nanoparticules. Il y a environ deux ans, il a conçu un nouveau type de bloc de construction de nanoparticules :une boîte quantique tétraédrique (en forme de pyramide). Alors que la plupart des recherches sur les structures de construction à partir de nanoparticules ont été réalisées avec des particules sphériques, Les tétraèdres de Chen peuvent s'entasser plus étroitement et potentiellement former des structures plus complexes et plus robustes.

Une autre caractéristique clé des particules de Chen est qu'elles sont anisotropes, ce qui signifie qu'ils ont des propriétés différentes en fonction de leur orientation les uns par rapport aux autres. Une face de chaque particule pyramidale a un ligand différent (un agent de liaison) de toutes les autres faces. Les faces avec des ligands similaires ont tendance à se lier lorsque les particules s'assemblent en structures plus grandes. Cette liaison dirigée rend les structures plus intéressantes et complexes par rapport aux particules dépourvues d'anisotropie.

Dans une recherche publiée récemment dans la revue La nature , Chen et son équipe ont démontré l'une des superstructures les plus complexes créées à ce jour à partir de blocs de construction de nanoparticules. Dans ce travail, les superstructures ont été assemblées tandis que les particules interagissaient avec un substrat solide. Pour ce dernier ouvrage, Chen et ses collègues voulaient voir quel type de structures les particules formeraient lorsqu'elles seraient assemblées au-dessus d'une surface liquide, ce qui donne aux particules plus de degrés de liberté lors de leur assemblage.

L'équipe a été choquée de découvrir que la structure résultante était en fait un réseau quasi cristallin.

"Quand j'ai réalisé que le motif que je voyais était un quasi-cristal, J'ai envoyé un e-mail à Ou et j'ai dit 'Je pense avoir trouvé quelque chose de super génial, '", a déclaré Yasutaka Nagaoka, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Chen et l'auteur principal du nouvel article. "C'était vraiment excitant."

En utilisant la microscopie électronique à transmission, les chercheurs ont montré les particules assemblées en décagones discrets (polygones à 10 côtés), qui se sont cousus ensemble pour former un réseau quasi-cristallin avec une symétrie de rotation 10 fois. Cette symétrie 10 fois, interdit dans les cristaux ordinaires, était un signe révélateur d'une structure quasi cristalline.

Les chercheurs ont également pu deviner les « règles » par lesquelles leur structure se formait. Alors que les décagones sont les unités principales de la structure, ils ne sont pas – et ne peuvent pas être – les seules unités de la structure. Former un quasi-cristal, c'est un peu comme carreler un sol. Les carreaux doivent s'emboîter de manière à couvrir tout le sol sans laisser de vide. Cela ne peut pas être fait en utilisant uniquement des décagones car il n'y a aucun moyen de les assembler qui ne laisse pas de vides. D'autres formes sont nécessaires pour combler les trous.

Il en va de même pour cette nouvelle structure quasi-cristalline - ils nécessitent des "tuiles" secondaires qui peuvent combler les espaces entre les décagones. Les chercheurs ont découvert que ce qui a permis à leur structure de fonctionner, c'est que les décagones ont des bords flexibles. Quand c'est nécessaire, un ou plusieurs de leurs points pourraient être aplatis. En faisant ça, ils pourraient se transformer en polygones avec neuf, huit, Sept, six ou cinq côtés, tout ce qui était nécessaire pour remplir l'espace entre les décagones.

"Ces décagones sont dans cet espace confiné qu'ils doivent partager sereinement, " Chen said. "So they do it by making their edges flexible when they need to."

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen says, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, chimie, mathematics and even art and design, " Chen said.