Cette micrographie électronique à transmission (a) montre des nanotiges de sulfure de cadmium formant des réseaux qui sont alignés et orientés parallèlement aux microdomaines cylindriques des copolymères à blocs. Le dessin schématique (b) illustre des copolymères avec des nanotiges. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
(PhysOrg.com) -- Un relativement rapide, technique simple et peu coûteuse pour amener des nanotiges - nanocristaux semi-conducteurs en forme de tige - à s'auto-assembler en un seul, des structures macroscopiques bidimensionnelles voire tridimensionnelles ont été développées par une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Cette technique devrait permettre une utilisation plus efficace des nanotiges dans les cellules solaires, dispositifs de stockage magnétique et capteurs. Il devrait également contribuer à renforcer les propriétés électriques et mécaniques des composites nanotige-polymère.
À la tête de ce projet, Ting Xu, un scientifique des polymères qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et les départements des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie (UC) Berkeley, et Chimie. Xu et son groupe de recherche ont utilisé des copolymères séquencés - de longues séquences ou "blocs" d'un type de monomère liés à des blocs d'un autre type de monomère - comme plate-forme pour guider l'auto-assemblage de nanotiges dans des structures complexes et des motifs hiérarchiques. Les copolymères à blocs ont une capacité innée à s'auto-assembler en réseaux bien définis de structures de taille nanométrique sur des distances macroscopiques.
"La nôtre est une technique simple et polyvalente pour contrôler l'orientation des nanotiges au sein des copolymères à blocs, " dit Xu. " En faisant varier la morphologie des copolymères à blocs et la nature chimique des nanotiges, nous pouvons fournir l'auto-assemblage contrôlé dans les nanotiges et les nanocomposites à base de nanotiges qui est essentiel pour leur utilisation dans la fabrication de dispositifs optiques et électroniques. »
Xu est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche qui a été publié dans la revue Lettres nano sous le titre "Direct Nanorod Assembly Using Block Copolymer-Based Supramolecules". Les co-auteurs de l'article étaient Kari Thorkelsson, Alexandre Mastroianni et Peter Ercius.
Les nanotiges - des particules de matière mille fois plus petites que l'étoffe des microtechnologies d'aujourd'hui - affichent des optiques très convoitées, propriétés électroniques et autres que l'on ne trouve pas dans les matériaux macroscopiques. Pour réaliser pleinement leur vaste promesse technologique, cependant, les nanotiges doivent pouvoir s'assembler en structures complexes et en motifs hiérarchiques, similaire à ce que la nature accomplit régulièrement avec les protéines.
Cette reconstruction par tomographie TEM de nanotiges de sulfure de cadmium qui s'auto-assemblent au sein de copolymères à blocs montre leur alignement macroscopique ordonné. Crédit:Avec l'aimable autorisation du Centre national de Berkeley Lab pour la microscopie électronique
Xu et son groupe de recherche ont d'abord recruté des copolymères séquencés comme alliés dans cet effort d'auto-assemblage en 2009, travailler avec les nanoparticules sphériques communément appelées points quantiques. Dans cette étude, ils ont attaché des points quantiques à des copolymères séquencés via un "médiateur" de petites molécules adhésives. Dans ce dernier développement, Xu et son groupe ont à nouveau utilisé des molécules adhésives, mais cette fois pour servir d'intermédiaire entre les nanotiges et les supramolécules de copolymères à blocs. Une supramolécule est un groupe de molécules qui agissent comme une seule molécule capable de remplir un ensemble spécifique de fonctions.
"Les supramolécules de copolymères blocs s'auto-assemblent et forment une large gamme de morphologies qui présentent des microdomaines généralement de quelques dizaines de nanomètres, " dit Xu. " Comme leur taille est comparable à celle des nanoparticules, les microdomaines des supramolécules de copolymère séquencé fournissent un cadre structurel idéal pour le co-assemblage de nanotiges."
Xu et son groupe incorporent des nanotiges dans des solutions de supramolécules de copolymère séquencé qui forment des sphères, microdomaines cylindriques et lamellaires. Pendant le processus de séchage, l'énergie est apportée au système par les interactions entre les ligands des nanotiges et les polymères, l'entropie associée à la déformation de la chaîne polymère lors de l'incorporation des nanotiges, et les interactions entre les nanotiges individuelles. Xu et son groupe ont observé que ces contributions énergétiques déterminent le placement et la distribution des nanotiges, ainsi que la morphologie globale des composites nanotige-bloc copolymère. Ces contributions énergétiques peuvent être facilement ajustées en faisant varier la morphologie supramoléculaire, ce qui est accompli simplement en attachant différents types de petites molécules aux chaînes latérales des copolymères séquencés.
« Nous pouvons facilement accéder à une large bibliothèque d'assemblages de nanotiges, y compris des réseaux de nanotiges alignés parallèlement aux microdomaines cylindriques de copolymères à blocs, réseaux continus de nanotiges, et des clusters de nanotiges, " dit Xu. " Puisque l'alignement macroscopique des microdomaines de copolymères séquencés peut être obtenu en masse et en couches minces par l'application de champs externes, notre technique devrait ouvrir une voie viable pour manipuler les alignements macroscopiques des nanotiges."
Cette nouvelle technique peut produire des réseaux ordonnés de nanotiges qui sont macroscopiquement alignés avec des distances réglables entre les tiges individuelles - une morphologie qui se prête à la production de plasmonique, qui sont des matériaux très prometteurs pour les ordinateurs ultrarapides, microscopes optiques ultra-puissants, et même la création de tapis d'invisibilité. C'est également une technique d'auto-assemblage de nanoparticules simple qui peut produire un réseau continu de nanotiges avec des distances de séparation nanoscopiques. De tels réseaux peuvent améliorer les propriétés macroscopiques des nanocomposites, y compris la conductivité électrique et la résistance du matériau.
Xu attribue une grande partie du succès de cette recherche aux capacités et au personnel exceptionnels du Centre national de microscopie électronique (NCEM), une installation nationale d'utilisateurs du DOE à Berkeley Lab, qui abrite les microscopes électroniques les plus puissants au monde.
"Pour l'étude des assemblages tridimensionnels de nanotiges, nous devions mettre en œuvre une tomographie haute résolution et cela posait un défi non seulement pour la collecte des données d'imagerie mais aussi pour leur traitement, " dit Xu. " L'expertise et les compétences de Peter Ercius de NCEM ont été inestimables. "
Xu et son groupe étudient maintenant l'auto-assemblage de nanocristaux semi-conducteurs qui prennent la forme de cubes ou de tétrapodes, qui ont toutes deux des applications potentielles importantes pour les technologies photovoltaïques et autres.
"Nous aimerions également étudier l'auto-assemblage de nanoparticules en combinaisons de différentes formes, " dit Xu.
