Fig. 1. Données de diffraction d'incidence rasante révélant la structure d'interface de la monocouche d'alkylthiol Langmuir (à gauche) et des nanocristaux d'or (à droite) simultanément.
(PhysOrg.com) -- Parfois, la nature ne peut pas être améliorée. Un exemple est dans la synthèse de nanomatériaux, qui en laboratoire ou en usine nécessite généralement des produits chimiques toxiques et des conditions extrêmes de température et de pression. Mais pendant des millions d'années, la nature a développé des moyens de rassembler des nanocristaux inorganiques à des températures et des pressions douces. Habituellement, ce processus, connue sous le nom de biominéralisation, implique du carbonate ou du phosphate de calcium à des fins telles que la construction d'os ou de coquilles, mais une autre variation intéressante est observée dans la cristallisation de l'or à partir d'une solution par certains types de bactéries. Un groupe de chercheurs a conçu une expérience unique pour imiter ce processus naturel de biominéralisation afin de créer des nanocristaux d'or orientés et d'examiner leur formation à l'Advanced Photon Source (APS) du Département de l'énergie des États-Unis, au Laboratoire national d'Argonne.
Travaillant sur la ligne de lumière ChemMatCARS 15-ID de l'APS, les chercheurs de la Northwestern University et de l'Université de Chicago ont flotté des monocouches de Langmuir d'octadécanethiol (C18S) sur des solutions d'acide chloroaurique (HAuCl4) à température et pression ambiantes, ont ensuite utilisé un faisceau de rayons X monochromatique de 10 keV à la fois comme agent de réduction pour induire la cristallisation de l'or et comme sonde pour examiner l'interface par diffraction des rayons X à incidence rasante (GID, Fig. 1). (Les expériences ont été répétées dans le secteur X14A de National Synchrotron Light Source pour confirmer que les résultats n'étaient pas des artefacts de la configuration ou du faisceau.)
« L'auto-assemblage de molécules organiques est bien connu et bien étudié sur des surfaces d'or, et nous voulions utiliser ces connaissances de ce domaine pour faire croître des nanoparticules d'or en utilisant un modèle organique, " dit Ahmet Uysal, premier auteur de l'article de Physical Review Letters sur le résultat du groupe.
Fig. 2. Micrographie électronique à balayage d'un cristal d'or orienté (111) examiné après l'expérience.
En recouvrant la surface inférieure de la monocouche flottante de Langmuir avec de l'or, les expérimentateurs ont essentiellement inversé le processus de création de SAM (monocouche auto-assemblée) et l'ont utilisé comme analogue pour la biominéralisation. Le co-auteur Pulak Dutta a noté :« Les SAM d'alkylthiol ont une structure correspondant parfaitement à la face (111) de l'or. Inspiré par cela, nous avons réalisé des monocouches de Langmuir sur des solutions d'acide aurochlorique, puis nous avons fait pousser des cristaux d'or sous eux en utilisant des rayons X pour réduire l'or.
Ce faisant, ajouté Uysal, « on voit les interactions moléculaires à l'interface, comment les structures des molécules organiques changent au cours du processus, et aussi les structures de surface des nanoparticules d'or en même temps. Au lieu de méthodes d'essais et d'erreurs pour faire pousser des nanoparticules d'or, nous pouvons voir le processus se dérouler à l'échelle nanométrique. » Le travail offre des informations importantes sur les interactions moléculaires réelles.
Les pics GID révèlent que des cristaux d'or se sont formés à la surface du thiol, avec une orientation (111) en rapport avec le gabarit organique. Des échantillons de cristaux d'or ont été imagés par microscopie électronique à transmission (MET), montrant des nanocristaux hexagonaux en forme de plaque d'environ 50 nm de large (Fig. 2). La monocouche de thiol se comporte comme un modèle souple, se modifier pour s'adapter à la formation des nanocristaux.
C'est cette adaptabilité de la monocouche qui favorise la croissance des nanoparticules d'or orientées. « Le fait que nous puissions « tromper » l'or pour qu'il grandisse d'une manière cristallographique est la principale nouveauté de cet article, » fait remarquer Dutta. « Comme avec les SAM, la structure de la monocouche organique correspond à la structure de la surface de l'or, et cette correspondance de réseau donne envie aux cristaux d'or de croître avec tous les (111) plans pointés de la même manière.
En montrant une méthode par laquelle les molécules organiques peuvent être utilisées pour contrôler la forme, Taille, et l'orientation cristallographique de nanocristaux inorganiques dans un environnement doux, les chercheurs ont ouvert la voie au développement de procédés de fabrication améliorés pour les nanomatériaux. Bien que les techniques actuelles utilisant des températures élevées et un vide poussé fournissent des rendements importants, ils sont aussi plus chers et moins écologiques. Uysal explique, « Comprendre les bases de l'interaction peut aider à augmenter le rendement de ces méthodes plus « vertes ». » Dutta ajoute que « c'est un processus qui se produit dans des conditions normales. Il est vrai que les rayons X sont utilisés pour réduire l'or, mais une telle réduction peut aussi se faire chimiquement, c'est ainsi que les bactéries procèdent.
L'étape suivante, dit Uysal, est de « quantifier le rôle de la chimie et de la structure de la monocouche dans l'orientation et la forme des nanoparticules d'or. Il existe d'autres groupes fonctionnels dans les organismes vivants tels que les groupes amine et carboxyle. Nous voulons voir ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas. Le but ultime est, bien sûr, pour être en mesure de concevoir des modèles pour les formes et orientations de nanoparticules souhaitées. » Dutta ajoute, « En étant intelligent en mettant les bonnes molécules sur le modèle, nous devrions être capables de fabriquer de meilleurs matériaux pour la photonique ou à d'autres fins.
