(Phys.org) -- De nombreuses avancées récentes en microtechnologie et nanotechnologie dépendent de l'auto-assemblage de particules sphériques microscopiques en agrégats à grande échelle pour former une gamme relativement limitée de structures cristallines. L'assemblage dirigé est une nouvelle branche de ce domaine, où les scientifiques découvrent comment assembler des particules pour former un large éventail de structures à des endroits donnés.

Les techniques actuelles d'assemblage dirigé utilisent généralement un champ appliqué, tel qu'un champ électrique ou magnétique, déplacer des particules et les assembler en structures bien définies. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont identifié une nouvelle méthode simple pour diriger l'assemblage des particules en se basant uniquement sur la tension superficielle et la forme des particules.

La recherche, dirigé par Kathleen J. Stebe, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire et vice-doyen à la recherche de l'école, a été réalisée par une équipe de chercheurs dans son laboratoire, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski et Marisa Wang. Il a été publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Leurs résultats reposent sur le simple fait qu'une surface liquide aura tendance à minimiser sa surface.

"C'est la même raison pour laquelle la tension superficielle fait qu'une goutte d'eau veut être une sphère, », a déclaré Stebe. "Mais nous pouvons régler ce phénomène pour faire des choses étonnantes."

Des particules sphériques auto-assemblées ont été utilisées pour fabriquer de nouveaux matériaux aux propriétés optiques et mécaniques uniques, mais non sphérique, ou anisotrope, les particules peuvent être encore plus prometteuses. En ayant une directivité définissable, les propriétés des matériaux que composent les particules peuvent être modifiées en fonction de leurs orientations.

Dans l'étude, Le laboratoire de Stebe a utilisé des particules cylindriques faites d'un polymère commun. Lorsqu'il est placé à la surface d'un mince film d'eau, les cylindres produisent une déformation en forme de selle :la surface de l'eau plonge à chaque extrémité d'une particule et monte le long de leurs côtés.

Le laboratoire Stebe avait déjà démontré que cette forme de selle peut être utilisée pour orienter deux particules cylindriques bout à bout. Lorsque les dépressions à leurs extrémités entrent en contact, la tension superficielle provoque la contraction de la zone de l'espace entre eux, réunir les extrémités.

Dans la nouvelle étude, au lieu de deux particules en interaction, les particules interagissent avec un poste fixe. Le poteau perce la surface de l'eau, la surface s'incurve vers le haut autour d'elle. L'interaction entre la déformation d'une particule et cette courbe est régie par le même phénomène de tension superficielle montré dans l'étude précédente; les particules se déplacent de manière à rendre la surface aussi petite que possible.

« Cela signifie que dès que les particules touchent la surface de l'eau, ils changent d'alignement et commencent à monter rapidement vers le poteau, », a déclaré Cavallaro. "Nous avons également pu prédire les lignes qu'ils parcourraient pour trois formes de poteaux différentes."

En modifiant la forme de la section transversale des poteaux, les chercheurs ont pu montrer un contrôle fin sur la façon dont les particules se déplaçaient et s'orientaient. Un poteau circulaire attirait les particules en lignes droites, alors qu'un poteau elliptique a attiré les particules vers les extrémités allongées. Un poteau carré produit le comportement le plus complexe, dessiner fortement les particules dans les coins, laissant les côtés ouverts.

Le choix de la forme et du matériau des particules par le laboratoire visait uniquement à aider les chercheurs à observer l'orientation et la position des particules; toute particule non sphérique, sur toute surface liquide-liquide ou liquide-vapeur, seraient régis par les mêmes principes et produiraient le même type de déformation. Cela rend cette recherche particulièrement puissante :elle ne dépend pas du fait que la particule ait une certaine forme ou soit faite d'un certain matériau.

Les surfaces parsemées de poteaux stratégiquement placés et façonnés pourraient diriger et orienter les particules dans presque toutes les configurations. Et parce que le mécanisme derrière le mouvement des particules est simplement la courbure de la surface, leur mouvement pourrait être « programmé » en changeant la disposition des poteaux ou la forme de l'interface.

"Je pourrais entrer avec une aiguille, par exemple, et tirez dynamiquement la surface vers le haut à différents endroits, ou sur des temps différents, », a déclaré Stebe.

«Très souvent, lorsque l'on pense à l'utilisation des micro- ou nanotechnologies, nous ne pensons pas aux propriétés à cette échelle minuscule :ce sera la structure organisée faite de micro- ou nanoparticules qui va être utile, peut-être comme un objectif ou une surface intelligente, " dit-elle. « Ce phénomène pourrait être utilisé pour fabriquer de nouvelles structures en envoyant des particules à certains endroits. Nous pourrions définir des chemins et dire « voici un site d'amarrage :allez-y » ou « voici un endroit où nous ne voulons rien ; n'y allez pas.

« Il s'agit d'une démonstration claire d'assemblage dirigé. Comme l'auto-assemblage, les choses s'enchaînent de bas en haut, mais ici, ils se réunissent exactement là où nous le voulons.