Des chercheurs du Berkeley Lab ont rapporté la première observation directe de nanoparticules subissant une fixation orientée, l'étape critique de la biominéralisation et de la croissance des nanocristaux. Une meilleure compréhension de l'attachement orienté dans les nanoparticules est une clé pour synthétiser de nouveaux matériaux aux propriétés structurelles remarquables.

Grâce à la biominéralisation, la nature est capable de produire des merveilles d'ingénierie comme la nacre, ou nacre, la doublure intérieure de coquilles d'ormeau réputée à la fois pour sa beauté irisée et sa ténacité incroyable. La clé de la biominéralisation est le phénomène connu sous le nom d'« attachement orienté, " par lequel les nanoparticules adjacentes se connectent les unes aux autres dans une orientation cristallographique commune. Alors que l'importance de l'attachement orienté aux propriétés biominérales est reconnue depuis longtemps, le mécanisme par lequel il se produit est resté un mystère. Avec une meilleure compréhension de l'attachement orienté, il devrait être possible de synthétiser de nouveaux matériaux aux propriétés structurelles remarquables. À cette fin, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a signalé la première observation directe de ce qu'ils ont appelé « jump-to-contact, " l'étape critique de l'attachement orienté.

"L'observation directe des accélérations de translation et de rotation associées au saut au contact entre nanoparticules nous a permis de calculer les forces qui animent l'attachement orienté, " a déclaré Jim DeYoreo, un scientifique de la Fonderie Moléculaire, un centre de nanosciences du DOE à Berkeley Lab où cette recherche a eu lieu. "Cela nous donne une base pour tester des modèles et des simulations qui pourraient ouvrir la porte à l'utilisation de l'attachement orienté dans la synthèse de nouveaux matériaux uniques."

DeYoreo est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Science qui décrit cette recherche intitulée "Les interactions spécifiques à la direction contrôlent la croissance cristalline par attachement orienté". Les co-auteurs de cet article étaient Dongsheng Li, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen et Jillian Banfield.

Depuis qu'une étude menée en 2000 par le co-auteur Banfield a révélé l'existence d'un attachement orienté nanoparticule, il est devenu largement reconnu que le phénomène est un mécanisme important de croissance cristalline dans de nombreux matériaux naturels et biomimétiques, ainsi que dans la synthèse de nanofils.

"De tels systèmes de nanocristaux présentent souvent des formes complexes allant de chaînes quasi-unidimensionnelles à des superstructures hiérarchiques tridimensionnelles, mais diffractent généralement comme un monocristal, impliquant que les particules primaires ont subi un alignement pendant la croissance, " dit Li, premier auteur de l'article scientifique et membre du groupe de recherche de DeYoreo. "Lorsque l'alignement des particules s'accompagne d'une coalescence, cette croissance est caractérisée comme un attachement orienté, cependant, la voie par laquelle les nanoparticules s'alignent et s'attachent a été mal comprise."

Pour en savoir plus sur les interactions et les forces qui animent l'attachement orienté, les chercheurs de Berkeley ont étudié la croissance cristalline précoce des nanoparticules d'oxyde de fer. Les oxydes de fer sont abondants dans la croûte terrestre et jouent un rôle important dans les processus biogéochimiques qui façonnent les environnements proches de la surface. À l'aide d'une cellule au silicium liquide montée dans un microscope électronique à transmission haute résolution à la Molecular Foundry, l'équipe de recherche a enregistré des images avec une résolution suffisante pour suivre les orientations des nanoparticules tout au long de la croissance des cristaux.

"Nous avons observé que les particules subissent une rotation et une interaction continues jusqu'à ce qu'elles trouvent une correspondance de réseau parfaite, moment auquel un saut soudain de contact s'est produit sur une distance inférieure à un nanomètre, " Dit DeYoreo. "Ce saut au contact est suivi d'additions latérales atome par atome initiées au point de contact. Les accélérations de translation et de rotation mesurées montrent que de fortes, des interactions hautement spécifiques à une direction entraînent la croissance cristalline via une fixation orientée. »

Les informations tirées de cette enquête sur la fixation orientée des nanoparticules d'oxyde de fer devraient être applicables non seulement à la future synthèse de matériaux biomimétiques, mais aussi aux efforts de restauration de l'environnement. Les scientifiques savent maintenant que la minéralisation dans les environnements naturels procède souvent d'événements d'attachement particule à particule et joue un rôle important dans la séquestration des contaminants. Comprendre les forces à l'origine de l'attachement orienté devrait également faire avancer le développement de nanofils semi-conducteurs ramifiés ou arborescents, structures dans lesquelles un ou plusieurs nanofils secondaires croissent radialement à partir d'un nanofil primaire.

"Les nanofils semi-conducteurs ramifiés sont recherchés pour des applications en photocatalyse, photovoltaïque et nanoélectronique en raison de leurs grandes surfaces, petits diamètres, et capacité à former des jonctions naturelles, " Dit DeYoreo. " Une compréhension des mécanismes sous-jacents qui contrôlent la ramification des nanofils devrait aider les scientifiques des matériaux à développer des stratégies plus efficaces pour produire ces matériaux. "