Une nouvelle étude collaborative dirigée par une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie, Université de Californie, Los Angeles et l'Université de Washington pourraient fournir aux ingénieurs de nouvelles règles de conception pour créer de la microélectronique, membranes et tissus, et ouvrir de meilleures méthodes de production pour de nouveaux matériaux. À la fois, la recherche, publié en ligne le 6 décembre dans la revue Science , contribue à soutenir une théorie scientifique qui n'a pas été prouvée depuis plus d'un siècle.

Tout comme les enfants suivent une règle pour aligner une seule file après la récréation, certains matériaux utilisent une règle sous-jacente pour assembler sur des surfaces une rangée à la fois, selon l'étude.

La nucléation - cette première étape de formation - est omniprésente dans les structures ordonnées à travers la nature et la technologie, des gouttelettes de nuage aux bonbons de roche. Pourtant, malgré certaines prédictions faites dans les années 1870 par le scientifique américain J. Willard Gibbs, les chercheurs débattent encore de la manière dont ce processus de base se déroule.

La nouvelle étude vérifie la théorie de Gibbs pour les matériaux qui se forment rangée par rangée. Dirigé par l'étudiant diplômé de l'UW Jiajun Chen, travailler au PNNL, la recherche découvre le mécanisme sous-jacent, qui comble un manque de connaissances fondamentales et ouvre de nouvelles voies en science des matériaux.

Chen a utilisé de petits fragments de protéines appelés peptides qui présentent une spécificité, ou appartenance unique, à une surface matérielle. Les collaborateurs de l'UCLA ont identifié et utilisé de tels peptides spécifiques à un matériau comme agents de contrôle pour forcer les nanomatériaux à prendre certaines formes, tels que ceux souhaités dans les réactions catalytiques ou les dispositifs semi-conducteurs. L'équipe de recherche a fait la découverte en étudiant comment un peptide particulier - un avec une forte affinité de liaison pour le bisulfure de molybdène - interagit avec le matériau.

"C'était un heureux hasard, " a déclaré James De Yoreo, scientifique des matériaux du PNNL, co-auteur de l'article et directeur de doctorat de Chen. "Nous ne nous attendions pas à ce que les peptides s'assemblent dans leurs propres structures hautement ordonnées."

C'est peut-être dû au fait que « ce peptide a été identifié à partir d'un processus d'évolution moléculaire, " ajoute l'auteur co-correspondant Yu Huang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA. "Il semble que la nature trouve son moyen de minimiser la consommation d'énergie et de faire des merveilles."

La transformation de l'eau liquide en glace solide nécessite la création d'une interface solide-liquide. Selon la théorie classique de la nucléation de Gibbs, bien que transformer l'eau en glace économise de l'énergie, la création de l'interface coûte de l'énergie. La partie délicate est le démarrage initial, c'est-à-dire lorsque la surface de la nouvelle particule de glace est grande par rapport à son volume, il en coûte donc plus d'énergie pour fabriquer une particule de glace que ce qui est économisé.

La théorie de Gibbs prédit que si les matériaux peuvent croître dans une dimension, c'est-à-dire ligne par ligne, une telle pénalité énergétique n'existerait pas. Ensuite, les matériaux peuvent éviter ce que les scientifiques appellent la barrière de nucléation et sont libres de s'auto-assembler.

Il y a eu récemment une controverse sur la théorie de la nucléation. Certains chercheurs ont trouvé des preuves que le processus fondamental est en réalité plus complexe que celui proposé dans le modèle de Gibbs.

Mais "cette étude montre qu'il y a certainement des cas où la théorie de Gibbs fonctionne bien, " dit De Yoreo, qui est également professeur affilié à l'UW en chimie et en science et ingénierie des matériaux.

Des études antérieures avaient déjà montré que certaines molécules organiques, y compris des peptides comme ceux de l'article de Science, peut s'auto-assembler sur des surfaces. Mais au PNNL, De Yoreo et son équipe ont creusé plus profondément et trouvé un moyen de comprendre comment les interactions moléculaires avec les matériaux ont un impact sur leur nucléation et leur croissance.

Ils ont exposé la solution peptidique à des surfaces fraîches d'un substrat de bisulfure de molybdène, mesurer les interactions avec la microscopie à force atomique. Ensuite, ils ont comparé les mesures avec des simulations de dynamique moléculaire.

De Yoreo et son équipe ont déterminé que même au tout début, les peptides liés au matériau une rangée à la fois, sans barrière, comme le prédit la théorie de Gibbs.

La vitesse d'imagerie élevée de la microscopie à force atomique a permis aux chercheurs de voir les rangées au moment où elles se formaient. Les résultats ont montré que les rangées étaient ordonnées dès le départ et grandissaient à la même vitesse quelle que soit leur taille, un élément clé de la preuve. Ils ont également formé de nouvelles rangées dès qu'il y avait suffisamment de peptide dans la solution pour que les rangées existantes se développent ; cela ne se produirait que si la formation des rangs est sans obstacle.

Ce processus ligne par ligne fournit des indices pour la conception de matériaux 2D. Actuellement, former certaines formes, les concepteurs ont parfois besoin de mettre les systèmes loin de l'équilibre, ou l'équilibre. C'est difficile à contrôler, dit De Yoreo.

"Mais en 1-D, la difficulté de faire se former les choses dans une structure ordonnée disparaît, " De Yoreo a ajouté. "Alors vous pouvez fonctionner tout près de l'équilibre et continuer à développer ces structures sans perdre le contrôle du système."

Cela pourrait changer les voies d'assemblage pour ceux qui conçoivent la microélectronique ou même les tissus corporels.

L'équipe de Huang à l'UCLA a démontré de nouvelles opportunités pour les appareils basés sur des matériaux 2D assemblés par le biais d'interactions en solution. Mais elle a déclaré que les processus manuels actuels utilisés pour construire de tels matériaux ont des limites, y compris les capacités de mise à l'échelle.

"Maintenant avec la nouvelle compréhension, nous pouvons commencer à exploiter les interactions spécifiques entre les molécules et les matériaux 2D pour des processus d'assemblage automatiques, " dit Huang.

L'étape suivante, dit De Yoreo, est de fabriquer des molécules artificielles qui ont les mêmes propriétés que les peptides étudiés dans le nouvel article, mais en plus robustes.

Au PNNL, De Yoreo et son équipe étudient des peptoïdes stables, qui sont aussi faciles à synthétiser que les peptides mais peuvent mieux gérer les températures et les produits chimiques utilisés dans les processus pour construire les matériaux souhaités.