A gauche se trouvent des micrographies de supercristaux de nanocristaux polydéraux d'argent et à droite les diagrammes correspondants de leurs emballages les plus denses connus pour (de haut en bas) des cubes, cubes tronqués et cuboctaèdres. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
La question de savoir combien de nanocristaux polyédriques d'argent peuvent être emballés dans des supercristaux millimétriques ne brûle peut-être pas sur beaucoup de lèvres, mais la réponse est importante pour l'un des nouveaux domaines de haute technologie les plus en vogue d'aujourd'hui :la plasmonique ! Les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE ont peut-être ouvert la porte à une approche plus simple pour la fabrication de matériaux plasmoniques en induisant des nanocristaux d'argent de forme polyédrique à s'auto-assembler en supercristaux tridimensionnels de la plus haute densité possible.
La plasmonique est le phénomène par lequel un faisceau de lumière est confiné dans des espaces ultra-exigus, ce qui lui permet d'être manipulé pour faire des choses qu'un faisceau de lumière dans un espace ouvert ne peut pas. Ce phénomène est très prometteur pour les ordinateurs ultrarapides, des microscopes capables de voir des objets nanométriques avec la lumière visible, et même la création de tapis d'invisibilité. Un enjeu majeur pour le développement de la technologie plasmonique, cependant, est la difficulté de fabriquer des métamatériaux avec des interfaces de taille nanométrique entre les métaux nobles et les diélectriques.
Peidong Yang, un chimiste à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a dirigé une étude dans laquelle des nanocristaux d'argent de diverses formes polyédriques se sont auto-assemblés en superstructures exotiques de la taille d'un millimètre grâce à une simple technique de sédimentation basée sur la gravité. Cette toute première démonstration de formation de supercristaux d'argent à grande échelle par sédimentation est décrite dans un article du journal Matériaux naturels intitulé "Auto-assemblage de nanocristaux d'argent polyédriques uniformes dans les emballages les plus denses et les super-réseaux exotiques". Yang, qui occupe également des postes au département de chimie et au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie à Berkeley, est l'auteur correspondant.
"Nous avons montré par l'expérimentation et la simulation informatique qu'une gamme de les cristaux polyédriques d'argent à l'échelle nanométrique peuvent s'auto-assembler en structures qui ont été calculées pour être les emballages les plus denses de ces formes, " dit Yang. " De plus, dans le cas des octaèdres, nous avons montré que le contrôle de la concentration en polymère nous permet de nous ajuster entre une structure de garnissage en treillis bien connue et une nouvelle structure de garnissage qui présente des motifs hélicoïdaux complexes. »
Représentation schématique de formes polyédriques accessibles grâce à la synthèse de polyol d'argent développée par Peidong Yang, et. Al. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
Dans le Matériaux naturels l'article Yang et ses co-auteurs décrivent une technique de synthèse de polyols qui a été utilisée pour générer des nanocristaux d'argent sous diverses formes, y compris les cubes, cubes tronqués, cuboctaèdres, octaèdres tronqués et octaèdres sur une gamme de tailles allant de 100 à 300 nanomètres. Ces nanocristaux polyédriques uniformes ont ensuite été placés en solution où ils se sont assemblés en supercristaux denses d'environ 25 millimètres carrés par sédimentation gravitationnelle. Alors que le processus d'assemblage pourrait être effectué en solution en vrac, faire en sorte que l'assemblage ait lieu dans les réservoirs de canaux de microarrays a fourni à Yang et à ses collaborateurs un contrôle précis des dimensions du super-réseau.
« Dans une expérience typique, une solution diluée de nanoparticules a été chargée dans un réservoir qui a ensuite été incliné, faire sédimenter progressivement les particules et s'assembler au fond du réservoir, " dit Yang. " Des solutions plus concentrées ou des angles d'inclinaison plus élevés ont entraîné la formation plus rapide des assemblages. "
Les assemblages générés par cette procédure de sédimentation présentaient à la fois un ordre de translation et de rotation sur des échelles de longueur exceptionnelles. Dans le cas des cubes, octaèdres et octaèdres tronqués, les structures des supercristaux denses correspondaient précisément à leurs garnissages réticulaires les plus denses. Bien que l'assemblage par sédimentation ne soit pas nouveau, Yang says this is the first time the technique has been used to make large-scale assemblies of highly uniform polyhedral particles.
"The key factor in our experiments is particle shape, a feature we have found easier to control, " Yang says. "When compared with crystal structures of spherical particles, our dense packings of polyhedra are characterized by higher packing fractions, larger interfaces between particles, and different geometries of voids and gaps, which will determine the electrical and optical properties of these materials."
The silver nanocrystals used by Yang and his colleagues are excellent plasmonic materials for surface-enhanced applications. Packing the nanocrystals into three-dimensional supercrystals allows them to be used as metamaterials with the unique optical properties that make plasmonic technology so intriguing.
"Our self-assembly process for these silver polyhedral nanocrystals may give us access to a wide range of interesting, scalable nanostructured materials with dimensions that are comparable to those of bulk materials, " Yang says.
