Des nanoplaques de forme hexagonale se sont arrangées en différents motifs cristallins, en fonction de la longueur des côtés des hexagones. De longs hexagones s'emboîtent dans une grille comme un nid d'abeille étiré, mais les chercheurs ont été surpris de constater que des hexagones dont les côtés étaient tous de la même longueur se terminaient par un motif à chevrons. Des chercheurs en génie de l'Université du Michigan ont aidé à comprendre pourquoi, et le travail pourrait conduire à un nouvel outil pour contrôler la façon dont les nanoparticules s'organisent. Crédit :Xingchen Ye, Université de Pennsylvanie
Des nanoscientifiques de premier plan ont créé de beaux, motifs en mosaïque avec des nanocristaux plats, mais il leur restait un mystère :pourquoi certains ensembles de cristaux se sont-ils disposés en alternance, style à chevrons ? Découvrir, ils se sont tournés vers des experts en simulation informatique de l'Université du Michigan et du Massachusetts Institute of Technology.
Le résultat donne aux chercheurs en nanotechnologie un nouvel outil pour contrôler la façon dont des objets d'un millionième de la taille d'un grain de sable s'organisent en matériaux utiles - et un moyen de découvrir le reste de la boîte à outils. Un article sur la recherche est publié en ligne le 12 mai dans Chimie de la nature .
"L'excitation dans ce n'est pas dans le motif à chevrons, il s'agit du couplage de l'expérimentation et de la modélisation, et comment cette approche nous permet d'aborder un problème très difficile, " a déclaré Christopher Murray, le professeur de l'Université Richard Perry et professeur de chimie à l'Université de Pennsylvanie.
Le groupe de Murray est réputé pour fabriquer des nanocristaux et les organiser en superstructures cristallines plus grandes.
Finalement, les chercheurs souhaitent modifier les patchs sur les nanoparticules de différentes manières pour les amener à des motifs plus complexes. L'objectif est une méthode qui permettra aux gens d'imaginer ce qu'ils aimeraient faire, puis de concevoir un matériau avec les bonnes propriétés pour le travail.
"En ingénierie des interactions à l'échelle nanométrique, nous pouvons commencer à assembler des structures cibles d'une grande complexité et fonctionnalité à l'échelle macro, " a déclaré Sharon Glotzer de U-M, le professeur Stuart W. Churchill Collegiate de génie chimique.
Glotzer a introduit le concept de "patchiness" de nanoparticules en 2004. Son groupe utilise des simulations informatiques pour comprendre et concevoir les patchs.
Récemment, L'équipe de Murray a réalisé des motifs avec des nanocristaux plats faits de métaux lourds, connu des chimistes sous le nom de lanthanides, et des atomes de fluor. Les lanthanides ont des propriétés intéressantes pour l'énergie solaire et l'imagerie médicale, comme la capacité de convertir entre la lumière haute et basse énergie.
Des nanoplaques de forme hexagonale se sont arrangées en différents motifs cristallins, en fonction de la longueur des côtés des hexagones. De longs hexagones s'emboîtent dans une grille comme un nid d'abeilles étiré, mais les chercheurs ont été surpris de constater que des hexagones dont les côtés étaient tous de la même longueur se terminaient par un motif à chevrons. Des chercheurs en génie de l'Université du Michigan ont aidé à comprendre pourquoi, et le travail pourrait conduire à un nouvel outil pour contrôler la façon dont les nanoparticules s'organisent. Crédit :Xingchen Ye, Université de Pennsylvanie
Ils ont commencé par décomposer des produits chimiques contenant des atomes d'un métal lanthanide et de fluor dans une solution, et le lanthanide et le fluor ont naturellement commencé à former des cristaux. Il y avait également dans le mélange des chaînes de carbone et d'hydrogène qui collaient aux côtés des cristaux, arrêtant leur croissance à des tailles de l'ordre de 100 nanomètres, ou 100 millionièmes de millimètre, aux plus grandes dimensions. En utilisant des lanthanides de rayons atomiques différents, ils pourraient contrôler que les faces supérieure et inférieure des cristaux hexagonaux soient beaucoup plus longues que les quatre autres côtés, voire inexistantes, résultant en une forme de diamant.
Pour former des motifs en mosaïque, l'équipe a étalé une fine couche de nanocristaux et de solvant sur un fluide épais. Au fur et à mesure que le solvant s'évapore, les cristaux avaient moins d'espace disponible, et ils ont commencé à emballer ensemble.
Les losanges et les très longs hexagones alignés comme prévu, les diamants formant une grille de style Argyle et les hexagones correspondant à leurs bords les plus longs comme un nid d'abeilles raccourci. Les hexagones dont les côtés étaient tous à peu près de la même longueur auraient dû former un motif en nid d'abeille écrasé similaire, mais plutôt, ils se sont alignés en plus compliqué, style à chevrons alternés.
"Chaque fois que nous voyons quelque chose qui ne prend pas le modèle le plus simple possible, il faut se demander pourquoi, ", a déclaré Murray.
Ils ont posé la question à l'équipe de Glotzer.
"Ils ont été des leaders mondiaux dans la compréhension du fonctionnement de ces formes à l'échelle nanométrique, et il n'y a pas beaucoup de groupes qui peuvent fabriquer les cristaux que nous fabriquons, " Murray a déclaré. "Il semblait naturel de réunir ces forces."
Glotzer et son groupe ont construit un modèle informatique qui pourrait recréer l'auto-assemblage de la même gamme de formes que Murray avait produites. Les simulations ont montré que si les hexagones équilatéraux n'interagissaient entre eux que par leurs formes, la plupart des cristaux formaient le motif en nid d'abeille raccourci - pas le chevron.
"C'est à ce moment-là que nous avons dit, 'D'accord, il doit se passer autre chose. Ce n'est pas seulement un problème d'emballage, '", a déclaré Glotzer.
Son équipe, qui comprenait l'étudiant diplômé U-M Andres Millan et le chercheur Michael Engel, puis a commencé à jouer avec les interactions entre les bords des particules. Ils ont découvert que si les bords qui formaient les pointes étaient plus collants que les deux autres côtés, les hexagones s'organiseraient naturellement dans le motif à chevrons.
Les équipes soupçonnaient que la source du collage était ces chaînes de carbone et d'hydrogène - peut-être qu'elles se sont attachées plus facilement aux bords des points. Puisque l'expérimentation n'offre pas encore un moyen de mesurer le nombre de chaînes d'hydrocarbures sur les côtés de ces particules minuscules, Murray a demandé à Ju Li, maintenant professeur de science et d'ingénierie nucléaires Battelle Energy Alliance au Massachusetts Institute of Technology, pour calculer comment les chaînes s'attacheraient aux bords à un niveau de mécanique quantique.
Le groupe de Li a confirmé qu'en raison de la façon dont les différentes facettes coupent le réseau des atomes de métal et de fluor, plus de chaînes d'hydrocarbures pourraient coller aux quatre bords qui ont conduit à des points que les deux autres côtés. Par conséquent, les particules deviennent inégales.
"Notre étude montre une voie à suivre en apportant des changements très subtils dans l'architecture des blocs de construction et en obtenant un changement très profond dans le plus grand modèle auto-assemblé, " a déclaré Glotzer. " Le but est d'avoir des boutons que vous pouvez changer juste un peu et obtenir un grand changement de structure, et c'est l'un des premiers articles qui montre une voie à suivre pour y parvenir."
L'article s'intitule "Concurrence de formes et d'interactions inégales pour les nanoplaques auto-assemblantes".
Murray est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Glotzer est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux, science et ingénierie macromoléculaires, physique et physique appliquée. Li est également professeur de science des matériaux et d'ingénierie.
