(Phys.org) - Des chercheurs du MIT et de l'Université de Floride centrale (UCF) ont développé une nouvelle technique de fabrication polyvalente pour fabriquer de grandes quantités de sphères uniformes à partir d'une grande variété de matériaux - une technique qui permet un contrôle sans précédent sur la conception de individuel, particules microscopiques. Les particules, y compris complexe, sphères à motifs, pourrait trouver des utilisations dans tout, de la recherche biomédicale à l'administration de médicaments, en passant par l'électronique et le traitement des matériaux.

La méthode est une excroissance d'une technique de fabrication longue, fibres fines à partir de plusieurs matériaux, développé au cours des dernières années au MIT par des membres du même. Le nouveau travail, rapporté cette semaine dans le journal La nature , commence par fabriquer des fibres fines en utilisant cette méthode antérieure, mais ajoute ensuite une étape supplémentaire de chauffage des fibres pour créer une ligne de minuscules sphères - comme un collier de perles - à l'intérieur de ces fibres.

La fabrication conventionnelle de particules sphériques microscopiques utilise une approche « bottom-up », faire pousser les sphères à partir de "graines" encore plus petites - une approche qui n'est capable de produire que de très petites particules. Cette nouvelle méthode « top-down », cependant, peut produire des sphères aussi petites que 20 nanomètres (environ la taille des plus petits virus connus) ou aussi grandes que deux millimètres (environ la taille d'une tête d'épingle), ce qui signifie que les plus grosses particules sont 100, 000 fois plus gros que les plus petits. Mais pour un lot donné, la taille des sphères produites peut être extrêmement uniforme — bien plus que cela n'est possible avec l'approche ascendante.

Yoel Fink, professeur de science des matériaux et directeur du Laboratoire de recherche en électronique du MIT, dont le groupe a développé la première méthode de production de fibres multimatériaux, explique que la nouvelle méthode peut également produire des sphères multimatériaux constituées de différentes couches ou segments. Des structures encore plus complexes sont possibles, il dit, offrant un contrôle sans précédent sur l'architecture et la composition des particules.

Les utilisations à court terme les plus probables du nouveau procédé seraient les applications biomédicales, dit Ayman Abouraddy, un ancien post-doctorant dans le laboratoire de Fink qui est maintenant professeur adjoint au Collège d'optique et de photonique de l'UCF. « Les applications typiques des nanoparticules aujourd'hui sont l'administration contrôlée de médicaments, " dit-il. Mais avec ce nouveau procédé, deux médicaments différents ou plus - même ceux qui sont normalement incompatibles - pourraient être combinés à l'intérieur de particules individuelles, et libérés seulement une fois qu'ils ont atteint leur destination prévue dans le corps.

Des possibilités plus exotiques pourraient se présenter plus tard, Abouraddy ajoute, y compris de nouveaux « métamatériaux » dotés de propriétés optiques avancées qui étaient auparavant inaccessibles.

Le processus de base consiste à créer un grand cylindre en polymère, appelé une « préforme, « contenant un noyau interne de cylindre semi-conducteur qui est un modèle exact à plus grande échelle de la structure de fibre finale ; cette préforme est ensuite chauffée jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment molle pour être tirée en une fibre fine, comme la tire. La structure interne de la fibre, composé de matériaux qui se ramollissent tous à la même température, conserve la configuration interne du cylindre d'origine.

La fibre est ensuite chauffée davantage de sorte que le noyau semi-conducteur forme un liquide, produire une série de gouttelettes sphériques discrètes à l'intérieur de la fibre autrement continue. Ce même phénomène fait qu'un jet d'eau décroissant d'un robinet finit par se briser en un jet de gouttelettes, célèbre capturé par Harold "Doc" Edgerton du MIT dans ses images stroboscopiques.

Abouraddy dit que lors d'une visite aux temples antiques dans son Egypte natale, il a trouvé une inscription montrant qu'il y a encore longtemps, les gens étaient conscients de cette dégradation d'un courant d'eau en gouttelettes - causée par un processus maintenant connu sous le nom d'instabilité de Rayleigh.

Dans le nouveau procédé de fabrication développé par l'équipe d'Abouraddy et Fink, ces gouttelettes « gèlent » en place au fur et à mesure que la fibre se solidifie; la gaine en polymère de la préforme les maintient ensuite verrouillées en place jusqu'à ce qu'elle soit ensuite dissoute. Cela surmonte un autre problème avec la production traditionnelle de nanoparticules :leur tendance à s'agglutiner.

En principe, Abouraddy dit, la découverte de ce processus de formation de particules pourrait avoir eu lieu il y a de nombreuses années. Mais même après que les théoriciens aient prédit que de telles instabilités pourraient se former dans le processus d'étirage des fibres, la nouvelle découverte est venue par accident :Joshua Kaufman, un élève d'Abouraddy, essayait de produire des fibres, mais son expérience a «échoué» lorsque la fibre a continué à se briser en gouttelettes.

Abouraddy, qui connaissait la possibilité théorique, reconnu immédiatement que cet "échec" était en fait une découverte importante - une découverte qui avait échappé aux tentatives précédentes simplement parce que le processus nécessite une combinaison précise de temps, température et matériaux. Kaufman est l'auteur principal de l'article Nature.

« La capacité d'exploiter et de contrôler l'instabilité fugace des fluides au sein d'une fibre a de profondes implications pour les futurs appareils, " Fink dit, et pourrait conduire à une grande variété d'utilisations. Alors que le groupe a démontré la production de particules de « ballon de plage » à six segments, en principe des structures beaucoup plus complexes, fait de divers matériaux, devrait également être possible, il dit. Tout matériau qui pourrait être étiré dans une fibre pourrait maintenant, en principe, être transformé en une petite particule.

Le travail a été soutenu par la National Science Foundation, l'Air Force Office of Scientific Research et l'Army Research Office par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT.