En utilisant uniquement une charge électrostatique, les microparticules communes peuvent s'organiser spontanément en matériaux cristallins hautement ordonnés - l'équivalent du sel de table ou des opales, selon une nouvelle étude menée par des chimistes de l'Université de New York et publiée dans La nature .

« Nos recherches jettent un nouvel éclairage sur les procédés d'auto-assemblage qui pourraient être utilisés pour fabriquer de nouveaux matériaux fonctionnels, " a déclaré Stefano Sacanna, professeur agrégé de chimie à NYU et auteur principal de l'étude.

L'auto-assemblage est un processus dans lequel de minuscules particules se reconnaissent et se lient d'une manière prédéterminée. Ces particules se rassemblent et s'assemblent en quelque chose d'utile spontanément, après un événement déclencheur, ou un changement de conditions.

Une approche pour programmer des particules à assembler d'une manière particulière consiste à les enrober de brins d'ADN; le code génétique indique aux particules comment et où se lier les unes aux autres. Cependant, car cette approche nécessite une quantité considérable d'ADN, cela peut être coûteux et se limite à la fabrication de très petits échantillons.

Dans leur étude en La nature , les chercheurs ont adopté une approche différente de l'auto-assemblage en utilisant une méthode beaucoup plus simple. Au lieu d'utiliser l'ADN, ils ont utilisé une charge électrostatique.

Le processus est similaire à ce qui se passe lorsque vous mélangez du sel dans une casserole d'eau, expliqua Sacanna. Lorsque le sel est ajouté à l'eau, les minuscules cristaux se dissolvent en ions chlore chargés négativement et en ions sodium chargés positivement. Quand l'eau s'évapore, les particules chargées positivement et négativement se recombinent en cristaux de sel.

"Au lieu d'utiliser des ions atomiques comme ceux du sel, nous avons utilisé des particules colloïdales, qui sont des milliers de fois plus gros. Lorsque nous mélangeons les particules colloïdales dans les bonnes conditions, ils se comportent comme des ions atomiques et s'auto-assemblent en cristaux, " dit Sacanna.

Le procédé permet de fabriquer de grandes quantités de matériaux.

"En utilisant la charge de surface naturelle des particules, nous avons réussi à éviter de faire la chimie de surface généralement requise pour un assemblage aussi élaboré, nous permettant de créer facilement de grands volumes de cristaux, " dit Théodore Hueckel, chercheur postdoctoral à NYU et premier auteur de l'étude.

En plus de créer des matériaux colloïdaux de type sel, les chercheurs ont utilisé l'auto-assemblage pour créer des matériaux colloïdaux qui imitent les pierres précieuses, en particulier, opales. Les opales sont irisées et colorées, en raison de leur microstructure cristalline interne et de son interaction avec la lumière. Dans le laboratoire, les chercheurs ont créé leurs pierres précieuses en éprouvette avec des microstructures internes très similaires à celles des opales.

"Si vous prenez une image fortement agrandie d'une opale, vous verrez les mêmes minuscules blocs de construction sphériques alignés de manière régulière, " a ajouté Hueckel.

L'utilisation de charges électrostatiques pour l'auto-assemblage permet aux chercheurs d'imiter les matériaux trouvés dans la nature, mais présente également des avantages au-delà de ce qui se produit naturellement. Par exemple, ils peuvent ajuster la taille et la forme des particules chargées positivement et négativement, ce qui permet une large gamme de structures cristallines différentes.

"Nous sommes inspirés par les cristaux ioniques de la nature, mais nous pensons que nous irons au-delà de leur complexité structurelle en utilisant tous les éléments de conception uniquement disponibles pour les blocs de construction colloïdaux, " dit Hueckel.