Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley ont dirigé le premier auto-assemblage de nanoparticules dans des matériaux prêts à l'emploi. Grâce à une technique relativement simple et peu coûteuse basée sur le mélange de nanoparticules avec des supramolécules de copolymères à blocs, les chercheurs ont produit des couches multiples de films minces à partir d'un, matrices bidimensionnelles et tridimensionnelles de nanoparticules d'or. De tels films minces ont des applications potentielles pour un large éventail de domaines, y compris le stockage de mémoire d'ordinateur, récupération d'énergie, stockage d'Energie, télédétection, catalyse, la gestion de la lumière et le nouveau domaine émergent de la plasmonique.

« Nous avons démontré une approche supramoléculaire simple mais polyvalente pour contrôler l'organisation spatiale 3D des nanoparticules avec une précision de particule unique sur des distances macroscopiques dans des films minces, " dit le scientifique des polymères Ting Xu, qui a mené cette recherche. « Alors que les minces films d'or que nous avons fabriqués étaient de la taille d'une tranche, la technique permet de produire facilement des films beaucoup plus grands, et il peut être utilisé sur des nanoparticules de nombreux autres matériaux en plus de l'or."

Xu 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'UC Berkeley, et Chimie. Elle est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Lettres nano intitulé « Assemblages de nanoparticules dans des couches minces de nanocomposites supramoléculaires ». Les co-auteurs de l'article étaient Joseph Kao, Peter Bai, Viviane Chuang, Zhang Jiang et Peter Ercius.

Les nanoparticules peuvent être considérées comme des atomes artificiels avec une optique unique, propriétés électriques et mécaniques. Si les nanoparticules peuvent être amenées à s'assembler régulièrement en structures complexes et en motifs hiérarchiques, semblable à ce que la nature fait avec les protéines, des appareils mille fois plus petits que ceux des microtechnologies d'aujourd'hui pourraient être fabriqués en série.

Xu et son groupe de recherche ont progressé vers cet objectif au cours de la dernière décennie. Dans une étude plus tôt cette année, ils ont pu induire des nanocristaux semi-conducteurs en forme de tige à s'auto-assembler en un seul, structures macroscopiques bidimensionnelles et même tridimensionnelles. Avec cette dernière application de leurs méthodes aux couches minces, ils sont passés au domaine des formes matérielles nécessaires à la fabrication de dispositifs et sont bien adaptés à la nanofabrication évolutive.

"C'est la première fois qu'un assemblage de nanoparticules en 2D, similaires à ceux obtenus en utilisant des linkers d'ADN et une évaporation contrôlée du solvant, peut être clairement réalisé en multicouches dans des films minces nanocomposites à base de supramolécules, " dit Xu. " Notre approche supramoléculaire ne nécessite aucune modification chimique d'aucun des composants du système composite et, en plus de fournir un moyen de construire des dispositifs à base de nanoparticules, devrait également fournir une plate-forme puissante pour étudier les corrélations structure-propriété des nanoparticules. »

La technique développée par Xu et ses collègues utilise des solutions de supramolécules de copolymères séquencés pour diriger l'auto-assemblage de nanoparticules. Une supramolécule est un groupe de molécules qui agissent comme une seule molécule capable de remplir un ensemble spécifique de fonctions. Les copolymères séquencés sont de longues séquences ou « blocs » d'un type de monomère lié à des blocs d'un autre type de monomère qui ont une capacité innée à s'auto-assembler en des réseaux bien définis de structures de taille nanométrique sur des distances macroscopiques.

"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 copolymères séquencés fournissent un cadre structurel idéal pour le co-auto-assemblage de nanoparticules."

Dans cette dernière étude, Xu et ses collègues ont incorporé des nanoparticules d'or dans des solutions de supramolécules de copolymères séquencés pour former des films d'une épaisseur comprise entre 100 et 200 nanomètres. Les films nanocomposites présentaient des microdomaines dans l'une des deux morphologies courantes - lamellaire ou cylindrique. Pour les microdomaines lamellaires, les nanoparticules ont formé des feuilles 2-D hexagonales empilées en plusieurs couches parallèles à la surface. Pour les microdomaines cylindriques, les nanoparticules ont formé des chaînes 1-D (largeur de particule unique) qui ont été entassées dans des réseaux hexagonaux déformés dans une orientation parallèle à la surface.

« Lors de l'incorporation de nanoparticules, les supramolécules de copolymère séquencé subissent des changements de conformation, résultant en une entropie qui détermine le placement et la distribution des nanoparticules, ainsi que la morphologie globale des couches minces nanocomposites, " Xu dit. "Nos résultats indiquent qu'il devrait être possible de générer des réseaux hautement ordonnés de nanoparticules dans des microdomaines de copolymères blocs et d'obtenir des assemblages hiérarchiques 3-D de nanoparticules avec un contrôle structurel précis. "

La distance interparticulaire entre les nanoparticules d'or dans les chaînes 1-D et les feuillets 2-D était de 8 à 10 nanomètres, ce qui soulève des possibilités intrigantes en ce qui concerne la plasmonique, le phénomène par lequel un faisceau lumineux est confiné dans des espaces ultra-exigus. La technologie plasmonique est très prometteuse pour les ordinateurs ultrarapides et la microscopie optique, entre autres applications. Cependant, un défi majeur pour le développement de la plasmonique a été la difficulté de fabriquer des métamatériaux avec des nanoparticules de métaux nobles comme l'or.

"Nos couches minces d'or présentent un fort couplage plasmonique le long de l'espacement interparticulaire dans les chaînes 1D et les feuilles 2D respectivement, " dit Xu. "Nous devrions donc être en mesure d'utiliser ces films pour étudier les propriétés plasmoniques uniques pour les dispositifs électroniques et photoniques de la prochaine génération. Notre technique supramoléculaire pourrait également être utilisée pour fabriquer des métamatériaux plasmoniques."