(PhysOrg.com) -- Si la promesse de la nanotechnologie doit être tenue, les nanoparticules devront être capables de faire quelque chose d'elles-mêmes. Une avancée importante vers cet objectif a été réalisée par des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis, qui ont trouvé un moyen simple mais puissant d'inciter les nanoparticules à s'assembler en réseaux complexes.

En ajoutant des types spécifiques de petites molécules à des mélanges de nanoparticules et de polymères, les chercheurs sont capables de diriger l'auto-assemblage des nanoparticules en réseaux d'un, deux et même trois dimensions sans modification chimique ni des nanoparticules ni des copolymères à blocs. En outre, l'application de stimuli externes, comme la lumière et/ou la chaleur, peut être utilisé pour orienter davantage les assemblages de nanoparticules pour des détails structurels encore plus fins et plus complexes.

« Nous avons démontré une approche simple mais polyvalente pour contrôler avec précision la distribution spatiale des nanoparticules facilement disponibles sur plusieurs échelles de longueur, allant du nano au macro, " dit Ting Xu, un scientifique des polymères qui a dirigé ce projet et qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et l'Université de Californie, Départements des sciences et de l'ingénierie des matériaux de Berkeley, et Chimie. "Notre technique peut être utilisée sur une grande variété de nanoparticules et devrait ouvrir de nouvelles voies pour la fabrication de dispositifs à base de nanoparticules, y compris des systèmes hautement efficaces pour la génération et le stockage de l'énergie solaire."

Xu est l'auteur correspondant sur un article décrivant ce travail qui a été publié par la revue Matériaux naturels . L'article s'intitule :"Assemblage de nanoparticules dirigées par une petite molécule vers des nanocomposites sensibles aux stimuli." Yue Zhao, co-auteur de cet article avec elle, Kari Thorkelsson, Alexandre Mastroianni, Thomas Schilling, Joseph Luther, Benjamin Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniel Poulsen, Jean Fréchet et Paul Alivisatos.

L'art de l'auto-assemblage

Particules de taille nanométrique - morceaux de matière de quelques milliardièmes de mètre, ou plus de cent fois plus petit que l'étoffe des microtechnologies d'aujourd'hui - présentent des propriétés très convoitées que l'on ne trouve pas dans les matériaux macroscopiques, y compris optique, électronique, magnétique, etc. La promesse de la nanotechnologie est que l'exploitation de ces propriétés uniques à une échelle commerciale pourrait produire des « changeurs de jeu » tels que durables, énergie propre et bon marché, et la création à la demande de nouveaux matériaux aux propriétés adaptées pour répondre à des besoins spécifiques. La réalisation de cette promesse commence par la capacité des nanoparticules à s'organiser en structures complexes et en motifs hiérarchiques, similaire à ce que la nature accomplit régulièrement avec les protéines.

« Le contrôle précis de l'organisation spatiale des nanoparticules et d'autres blocs de construction nanoscopiques sur plusieurs échelles de longueur a été un goulot d'étranglement dans la génération ascendante de matériaux technologiquement importants, " dit Xu. " La plupart des approches qui ont été utilisées jusqu'à présent ont impliqué des modifications de surface. "

Aussi petits qu'ils soient, les nanoparticules sont essentiellement toutes de surface, donc tout processus qui modifie la surface d'une nanoparticule peut changer profondément les propriétés de cette particule. L'agencement précis de ces nanoparticules est essentiel pour adapter les propriétés macroscopiques lors de l'assemblage des nanoparticules. Bien que l'ADN ait été utilisé pour induire l'auto-assemblage de nanoparticules avec un haut degré de précision, cette approche ne fonctionne bien que pour les tableaux organisés dont la taille est limitée ; il n'est pas pratique pour une fabrication à grande échelle. Xu pense qu'une meilleure approche consiste à utiliser des copolymères séquencés - de longues séquences ou "blocs" d'un type de molécule de monomère liés à des blocs d'un autre type de molécule de monomère.

"Les copolymères blocs s'auto-assemblent facilement en réseaux bien définis de nanostructures sur des distances macroscopiques, " dit-elle. " Ils seraient une plate-forme idéale pour diriger l'assemblage de nanoparticules sauf que les copolymères à blocs et les nanoparticules ne sont pas particulièrement compatibles entre eux d'un point de vue chimique. Un médiateur est nécessaire pour les réunir."

Xu et son groupe ont trouvé un tel "médiateur" sous la forme de petites molécules qui se joindront aux nanoparticules, puis se fixeront, ainsi que leurs partenaires nanoparticulaires, à la surface d'un copolymère séquencé. Pour cette étude, Xu et son groupe ont utilisé deux types différents de petites molécules, tensioactifs (agents mouillants) dénommés "PDP" et "OPAP". Ces petites molécules peuvent être stimulées par la lumière (PDP) ou la chaleur (OPAP) pour rompre leur connexion à la surface d'un copolymère séquencé et être repositionnées à un autre endroit le long de la chaîne polymère. De cette façon, la distribution spatiale des petites molécules médiateurs et de leurs partenaires nanoparticulaires peut être dirigée avec précision sans qu'il soit nécessaire de modifier ni les nanoparticules ni les polymères.

"La beauté de cette technique est qu'elle n'implique aucune chimie sophistiquée, " dit Xu. " C'est vraiment une technique plug and play, dans lequel vous mélangez simplement les nanoparticules avec les copolymères séquencés, puis ajoutez les petites molécules dont vous avez besoin."

Pour cette étude, Xu et ses collègues ont ajouté de petites molécules PDP ou OPAP à divers mélanges de nanoparticules, tel
comme le séléniure de cadmium et le sulfure de plomb, mélangé avec un copolymère bloc commercial - polystyrène-bloc-poly (4-vinylpyridine). Alors qu'elle et son groupe travaillaient avec la lumière et la chaleur, elle dit d'autres stimuli, comme le pH, pourrait également être utilisé pour repositionner de petites molécules et leurs partenaires nanoparticulaires le long des formations de copolymères séquencés. Des substitutions stratégiques de différents types de petites molécules sensibles aux stimuli pourraient servir de mécanisme d'ajustement structurel ou d'incorporation de propriétés fonctionnelles spécifiques dans les nanocomposites. Xu et ses collègues sont maintenant en train d'ajouter des fonctionnalités à leur technique d'auto-assemblage.

"Réunir les bons composants de base - nanoparticules, polymères et petites molécules - stimulent le mélange avec une combinaison de chaleur, la lumière ou d'autres facteurs, et ces composants s'assembleront en structures ou modèles sophistiqués, " dit Xu. " Ce n'est pas différent de la façon dont la nature le fait. "

Source :Lawrence Berkeley National Laboratory (actualité :web)