Les nanocristaux tétrapodes fluorescents pourraient ouvrir la voie à la conception future de nanocomposites polymères plus résistants. Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a mis au point une technique de détection opto-mécanique avancée basée sur des points quantiques tétrapodes qui permet une mesure précise de la résistance à la traction des fibres polymères avec un minimum de impact sur les propriétés mécaniques de la fibre.

Dans une étude dirigée par Paul Alivisatos, directeur du Berkeley Lab et professeur Larry et Diane Bock de nanotechnologie à l'Université de Californie (UC) Berkeley, l'équipe de recherche a incorporé dans des fibres polymères une population de points quantiques tétrapodes (tQD) constitués d'un noyau de séléniure de cadmium (CdSe) et de quatre bras de sulfure de cadmium (CdS). Les tQD ont été incorporés dans les fibres polymères par électrofilage, parmi les principales techniques d'aujourd'hui pour le traitement des polymères, dans lequel un grand champ électrique est appliqué à des gouttelettes de solution de polymère pour créer des fibres de taille micro et nanométrique. Il s'agit de la première application connue de l'électrofilage aux tQD.

"Le procédé d'électrofilage nous a permis de mettre une énorme quantité de tQD, jusqu'à 20 % en poids, dans les fibres avec des effets minimes sur les propriétés mécaniques en vrac du polymère, " dit Alivisatos. " Les tQD sont capables de surveiller par fluorescence non seulement une simple contrainte uniaxiale, mais relaxation des contraintes et comportement sous des charges variables cycliques. Par ailleurs, les tQD sont élastiques et récupérables, et ne subissent aucun changement permanent dans la capacité de détection, même après de nombreux cycles de chargement jusqu'à la rupture. »

Alivisatos est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Lettres nano intitulé « Nanocristaux tétrapodes en tant que sondes de stress fluorescentes de nanocomposites électrofilés ». Les coauteurs étaient Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu et Robert Ritchie.

Les nanocomposites polymères sont des polymères qui contiennent des charges de nanoparticules dispersées dans toute la matrice polymère. Présentant une large gamme de propriétés mécaniques améliorées, ces matériaux ont un grand potentiel pour une large gamme d'applications biomédicales et matérielles. Cependant, la conception rationnelle a été entravée par un manque de compréhension détaillée de la façon dont ils réagissent au stress à l'échelle micro et nanométrique.

« La compréhension de l'interface entre le polymère et la nanocharge et la façon dont les contraintes sont transférées à travers cette barrière sont essentielles pour synthétiser de manière reproductible des composites, " dit Alivisatos. " Toutes les techniques établies pour fournir cette information ont des inconvénients, y compris la modification de la composition et de la structure au niveau moléculaire du polymère et potentiellement l'affaiblissement des propriétés mécaniques telles que la ténacité. Il a donc été d'un intérêt considérable de développer des nanoparticules optiques luminescentes de détection de contrainte et de trouver un moyen de les intégrer à l'intérieur de fibres polymères avec un impact minimal sur les propriétés mécaniques détectées. »

Les chercheurs du Berkeley Lab ont relevé ce défi en combinant des tQD semi-conducteurs de CdSe/CdS, qui ont été développés dans une étude antérieure par Alivisatos et son groupe de recherche, avec électrofilage. Les tQD CdSe/CdS sont particulièrement bien adaptés comme capteurs de contrainte à l'échelle nanométrique car une contrainte appliquée pliera les bras des tétrapodes, provoquant un changement dans la couleur de leur fluorescence. Le grand champ électrique utilisé dans l'électrofilage entraîne une dispersion uniforme des agrégats tQD dans toute la matrice polymère, minimisant ainsi la formation de concentrations de contraintes qui agiraient pour dégrader les propriétés mécaniques du polymère. L'électrofilage a également fourni une liaison beaucoup plus forte entre les fibres polymères et les tQD qu'une technique précédente basée sur la diffusion pour utiliser les tQD comme sondes de contrainte qui a été rapportée il y a deux ans par Alivisatos et son groupe. Des concentrations beaucoup plus élevées de tQD pourraient également être obtenues avec l'électrofilage plutôt que la diffusion.

Lorsque le stress a été appliqué aux nanocomposites polymères, les régions de déformation élastiques et plastiques ont été facilement observées sous forme de décalage de la fluorescence des tQD, même à de faibles concentrations de particules. Au fur et à mesure que les concentrations de particules augmentaient, un plus grand décalage de fluorescence par unité de souche a été observé. Les tQD ont agi comme des sondes non perturbatrices dont les tests ont prouvé qu'elles n'affectaient pas de manière significative les propriétés mécaniques des fibres polymères.

« Nous avons réalisé des essais mécaniques à l'aide d'une machine d'essai de traction traditionnelle avec tous nos types de fibres polymères, " dit Shilpa Raja, un auteur principal de la Lettres nano papier avec Andrew Olson, tous deux membres du groupe de recherche Alivisatos. « Alors que les tQD modifient sans aucun doute la composition de la fibre - il ne s'agit plus d'acide polylactique pur mais d'un composite - nous avons constaté que les propriétés mécaniques du composite et la cristallinité de la phase polymère présentent un changement minimal. »

L'équipe de recherche pense que leurs sondes tQD devraient s'avérer utiles pour une variété de facteurs biologiques, applications d'imagerie et d'ingénierie des matériaux.

"Un grand avantage dans le développement de nouveaux nanocomposites polymères serait d'utiliser des tQD pour surveiller les accumulations de contraintes avant la défaillance du matériau pour voir comment le matériau se détériorait avant qu'il ne se brise réellement, ", explique le co-auteur principal Olson. "Les tQD pourraient également aider au développement de nouveaux matériaux intelligents en fournissant un aperçu de la raison pour laquelle un composite n'a jamais présenté une propriété nanoparticulaire souhaitée ou a cessé de la présenter lors de la déformation due à une utilisation normale. "

Pour les applications biologiques, le tQD est sensible aux forces à l'échelle du nanoNewton, qui est la quantité de force exercée par les cellules vivantes lorsqu'elles se déplacent dans le corps. Un excellent exemple de ceci est la métastase des cellules cancéreuses qui se déplacent à travers la matrice extracellulaire environnante. D'autres cellules qui exercent une force comprennent les fibroblastes qui aident à réparer les plaies, et cardiomyocytes, les cellules musculaires du cœur qui battent.

"Tous ces types de cellules sont connus pour exercer des forces nanoNewton, mais il est très difficile de les mesurer, ", dit Raja. "Nous avons fait des études préliminaires dans lesquelles nous avons montré que les cardiomyocytes au-dessus d'une couche de tQD peuvent être induits à battre et que la couche tQD montrera des changements fluorescents aux endroits où les cellules battent. Cela pourrait être étendu à un environnement plus pertinent sur le plan biologique afin d'étudier les effets des produits chimiques et des médicaments sur les métastases des cellules cancéreuses. »

Une autre application potentielle passionnante est l'utilisation de tQD pour fabriquer des nanocomposites polymères intelligents qui peuvent détecter quand ils ont des fissures ou sont sur le point de se fracturer et peuvent se renforcer en réponse.

"Avec notre technique, nous combinons deux domaines qui sont généralement séparés et n'ont jamais été combinés à l'échelle nanométrique, détection optique et accordabilité mécanique nanocomposite polymère, " dit Raja. " Comme les tétrapodes sont incroyablement forts, ordres de grandeur plus forts que les polymères typiques, en fin de compte, ils peuvent créer des interfaces plus solides qui peuvent auto-déclarer une fracture imminente. »