Les matériaux impossibles à obtenir avec les méthodes existantes peuvent être produits à l'aide d'un solide, solvant de silice nanostructuré. Des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie ont présenté une approche innovante de la production de substances aux propriétés physiques et chimiques uniques.

Une équipe de physiciens de Cracovie (Pologne) a réussi à développer une méthode flexible pour produire des solides, solvants de silice bidimensionnels pour produire des matériaux avec une optique unique, propriétés magnétiques et structurelles. Le terme "solvant solide" désigne ici une substance qui, lorsqu'il est immergé dans une solution des molécules appropriées, les lie à sa surface dans des proportions strictement définies et d'une manière définie. Cette réalisation est l'œuvre d'une équipe dirigée par le Dr Lukasz Laskowski de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Les résultats des nombreuses années de travail de l'équipe viennent d'être présentés dans le Revue internationale des sciences moléculaires .

De nouveaux matériaux sont souvent produits en déposant des atomes spécifiques ou des molécules chimiques sur un substrat approprié, comme la silice ou le carbone. Le problème ici, cependant, contrôle la façon dont les molécules sont déposées. La difficulté est facile à comprendre à l'aide d'un exemple simple. Prends une balle en caoutchouc, enduisez-le de colle et jetez-le dans des plumes. Quand tu sors le ballon, vous trouvez qu'il y a plus de plumes à certains endroits qu'à d'autres à sa surface. La raison de cette situation est le fait qu'il n'y a aucun contrôle sur la façon dont les plumes individuelles collent à la balle.

« En génie moléculaire, la situation est encore plus compliquée, " dit le Dr Laskowski et présente le problème :" Supposons qu'après des années de recherche vous ayez finement réussi à trouver un moyen de contrôler la distance entre les plumes collées à la balle en caoutchouc. Que se passerait-il si nous avions soudain besoin de coller non pas des plumes mais, Disons, des billes de verre? Il faudrait probablement changer la colle. Changer la colle et l'élément collé signifierait qu'il faudrait concevoir de nouvelles méthodes pour contrôler la distance entre les éléments collés. De nouveau, cela demanderait plusieurs années de recherche, ce qui n'aurait pas forcément du succès."

Les physiciens de Cracovie, financé par le Centre national des sciences polonais, décidé de résoudre le problème décrit ci-dessus de la manière suivante. Au lieu de se débattre avec des recherches successives de nouvelles méthodes de dépôt uniforme de toutes sortes d'ions ou de particules différentes sur des supports, ils ont développé une méthode de revêtement d'un substrat de silice avec des unités d'ancrage. Ici, chaque ancre moléculaire est liée d'un côté au substrat, tandis que l'autre côté peut capturer un ion ou une molécule d'un type spécifique de l'environnement. Ce qui est particulièrement important, c'est que cette méthode permet de garder un contrôle statistique sur la densité de répartition des ancres à la surface du support. Le problème de la conception de nouveaux matériaux s'en trouve ainsi radicalement simplifié. Actuellement, son point le plus important est le développement relativement simple et rapide d'une ancre avec une extrémité attirant les ions ou molécules actuellement requis.

« Dans notre méthode, le rôle clé du solvant solide est joué par les nanostructures de silice. Nous les produisons dans des conditions telles que lorsqu'elles se forment, ils sont immédiatement recouverts par une grille régulière d'unités d'ancrage avec une densité strictement ajustée à nos besoins actuels, " explique le Dr Magdalena Laskowska (FIJ PAN).

La possibilité de contrôler statistiquement la distance entre les ancres, qui existe à l'étape de fabrication du solvant silice, permet aux scientifiques de sélectionner avec précision la quantité de substance liée à la surface des particules de silice. À la fois, il devient possible de garder le contrôle sur les interactions des molécules piégées par les ancres et même sur leur orientation.

« Dans les procédés traditionnels de production de nouveaux matériaux, les molécules de certains composés chimiques peuvent se déposer sur une surface de telle manière que leur structure moléculaire change. Les molécules perdent alors souvent leurs propriétés et deviennent pratiquement inutiles. Cela se produit lorsque des molécules se lient au substrat à l'aide de fragments qui déterminent leurs propriétés physiques ou chimiques. Cependant, nous pouvons prendre ces molécules indisciplinées et compacter le nombre d'ancres sur un solvant solide de telle manière que les molécules, après reliure, ont encore des zones actives et conservent leur fonctionnalité d'origine, " explique le doctorant Oleksandr Pastukh (IFJ PAN).

Lorsqu'un solvant de silice convenablement préparé est immergé dans une solution avec les ions/particules cibles, les ancres à sa surface les capturent et les lient, ce qui conduit spontanément à la formation supposée de la structure moléculaire. Le matériau nouvellement formé doit maintenant simplement être filtré, lavé avec un solvant pour enlever toute saleté, et séché.

La maîtrise de la technologie de production de solvants solides avec une distribution d'ancrage contrôlée avec précision a permis aux chercheurs de l'IFJ PAN d'inverser le processus traditionnel de conception et de synthèse des matériaux. Au lieu d'examiner des matériaux déjà fabriqués pour leur trouver des applications, les chercheurs de Cracovie se renseignent d'abord sur les besoins actuels, par exemple, en optoélectronique ou photonique, alors avec ceux-ci à l'esprit, concevoir les propriétés du matériau, déterminer sa structure moléculaire, et enfin synthétiser une substance avec exactement les propriétés requises. Lors de la synthèse, un rôle clé est souvent joué par un solvant solide, avec laquelle il est possible de contrôler les proportions entre les molécules participant à la réaction avec une précision extraordinaire.

« Une fois le matériel produit, nous le testons pour comparer ses propriétés physiques et chimiques réelles avec celles requises. S'il y a des écarts, nous répétons la synthèse avec des paramètres légèrement modifiés. Si cela ne vous aide pas, nous effectuons des ajustements au stade de la conception moléculaire, " Le doctorant Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) explique plus en détail.

Le procédé utilisant un solvant de silice nanostructuré est particulièrement intéressant en raison de la possibilité de produire des matériaux aux caractéristiques optiques non linéaires uniques, par exemple, avec une composante de lumière de deuxième ou troisième harmonique réglée avec précision (ce qui signifie que l'onde lumineuse quittant le matériau a doublé ou triplé sa fréquence par rapport à l'onde incidente sur le matériau). Des applications intéressantes s'ouvrent également dans le domaine médical. Il devient possible de développer de nouveaux matériaux qui permettraient aux molécules de conserver leurs fortes propriétés biocides lorsqu'elles sont ajoutées aux obturations dentaires ou aux peintures.