Suivez toujours la boussole :les micro-organismes qui s'orientent vers le champ magnétique terrestre ont environ 20 magnétosomes qui s'alignent sur de minuscules aiguilles. Ils contiennent des nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer dans une enveloppe protéique et lipidique formée de manière caractéristique pour chaque espèce. Crédit :MPI des Colloïdes et Interfaces
(Phys.org) - Les nanoparticules sont des signes avant-coureurs d'espoir polyvalents :elles peuvent servir d'agents médicaux actifs ou de produits de contraste, ainsi que de supports de stockage électronique ou de renforcement pour les matériaux structuraux. Des chercheurs de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces à Potsdam-Golm et de l'Université de technologie d'Eindoven aux Pays-Bas ont apporté une contribution fondamentale pour rendre ces nanoparticules utilisables pour ces diverses applications.
En étudiant les nanoparticules de magnétite, ils ont développé un modèle de la façon dont les particules cristallines d'un matériau se forment en fonction de leurs propriétés physiques. Les nanoparticules de magnétite sont utilisées par certaines bactéries pour s'orienter le long des lignes de champ magnétique de la Terre. Comprendre comment elles se développent pourrait être utile pour générer des nanoparticules avec les propriétés souhaitées.
À bien des égards, la conception matérielle ressemble à élever des enfants :de nombreuses propriétés sont prédéterminées à partir de la nature, d'autres sont acquis au cours de l'éducation ou de l'apprentissage – mais l'aspect important se produit dès le début. Une équipe dirigée par Damien Faivre, chef d'un groupe de recherche au Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, s'est penché sur la pépinière de nanoparticules de magnétite.
Les particules de magnétite qui s'organisent en fines aiguilles servent de boussole à certaines bactéries marines lorsqu'elles s'orientent le long du champ magnétique de la Terre à la recherche des meilleures conditions de vie. Cependant, des particules de magnétite synthétique sont également utilisées dans les encres, liquides magnétiques, et agent de contraste médical, mais aussi comme éléments de mémoire dans les supports de stockage de données. A l'aide de leurs observations de nanoparticules de magnétite, les chercheurs de Potsdam ont élargi la théorie établie sur la façon dont les cristaux d'un matériau se forment à partir d'une solution.
Le modèle classique ne peut pas expliquer la formation de nombreux cristaux
Dans une solution sursaturée, plusieurs atomes et molécules s'agglomèrent spontanément, c'est-à-dire plus ou moins aléatoirement, en une graine qui grandit ensuite. Selon la représentation classique de la croissance cristalline, la graine capture des atomes ou des molécules de la solution. À ce moment, soit un cristal parfaitement ordonné peut se former directement, soit un cristal amorphe, et donc désordonné, l'agglomération se forme d'abord, qui se réorganise ensuite en cristal.
Dans laquelle des deux voies le cristal évolue, dépend de celui qui présente le niveau d'énergie le plus bas - la phase cristalline ou la phase désordonnée. Les propriétés déterminantes ici sont les énergies de surface des variantes cristallines et désordonnées, ainsi que les quantités d'énergie libérées lorsque des atomes ou des molécules se lient à l'une ou l'autre forme. Une énergie de surface élevée entraîne une dépense énergétique pour la croissance de la phase donnée beaucoup plus élevée, tandis qu'un grand rendement énergétique des obligations évolutives l'abaisse.
Lorsque des nanoparticules de magnétite se forment à partir d'une solution de sels de fer, particules primaires, au plus deux nanomètres, s'agglomèrent en un noyau (flèche; la barre blanche de l'échelle représente une dizaine de nanomètres). Les chercheurs de Max Planck ont développé un modèle pour cette voie non classique de croissance cristalline. Ce modèle permet d'expliquer comment une structure cristalline se forme directement à partir d'une particule primaire, et quand une structure désordonnée se développe d'abord qui se reforme ensuite en un cristal. Crédit:Nature Materials
"Au fil des ans, il y a eu de plus en plus d'indications que de nombreux minéraux ne poussent pas selon ce modèle", dit Damien Faivre. "Ils n'absorbent apparemment ni atomes isolés ni molécules au cours de leur formation, mais capturent plutôt des particules primaires ou des amas de quelques nanomètres qui ne se forment que temporairement. » C'est plus ou moins ce qui se passe lorsque des cristaux de carbonate de calcium et de phosphate de calcium se forment qui durcissent les os ou les coquilles de mollusques. Faivre et son équipe ont maintenant établi que les nanoparticules de magnétite se développent également en absorbant de petites particules primaires de seulement deux nanomètres.
La stabilité des particules primaires devient le facteur décisif
« En utilisant le modèle classique, il est impossible de déterminer si des nanocristaux plus gros se forment directement à partir des petites nanoparticules ou si une phase désordonnée se forme d'abord", dit Damien Faivre. Cependant, si vous voulez faire pousser des nanoparticules, vous devez être en mesure de répondre à cette question. Alors lui et ses collègues ont développé un nouveau modèle (qui prend en compte les particules primaires).
Dans le nouveau modèle, la stabilité des nanoparticules devient un facteur important - si important qu'il peut même inverser la prédiction du modèle classique. "Plus les particules primaires sont stables, plus il est probable qu'une structure cristalline se forme directement", explique Faivre. "Dans de nombreux cas, lorsqu'une phase désordonnée doit se former sous le modèle classique, notre modèle aboutit directement à la formation d'un cristal." C'est exactement le cas de la magnétite.
L'étude des particules primaires est la prochaine étape
Que les cristaux croissent selon le modèle classique ou celui proposé par l'équipe de Damien Faivres dépend de l'implication des atomes et des molécules ou des minuscules particules primaires. « Soit vous le savez par des observations, comme dans notre cas, ou vous l'anticipez à l'aide des propriétés physiques du matériau", explique Faivre.
Cependant, les chercheurs ont encore de nombreuses questions non résolues à répondre afin de passer de ces connaissances sur la pépinière de nanoparticules à un manuel d'instructions pour diriger leur croissance. « À l'étape suivante, nous étudierons plus précisément les particules primaires et leurs propriétés", dit Damien Faivre. Si les chercheurs peuvent contrôler la stabilité des particules assimilées par une nanoparticule en croissance, ils peuvent également avoir un moyen d'influencer les propriétés de la nanoparticule. Ce n'est guère différent qu'avec les jeunes, enfants en pleine croissance :ce qu'ils deviennent dépend de la façon dont ils sont nourris.
