Lorsque les nanoscientifiques de l'Université de Pennsylvanie ont créé du beau, motifs en mosaïque avec des nanocristaux plats, il leur restait un mystère :pourquoi certains ensembles de cristaux se sont-ils disposés en alternance, style chevrons, même si ce n'était pas le modèle le plus simple ? 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, il donne un moyen de découvrir les règles pour les "programmer" dans les configurations souhaitées.

L'étude a été dirigée par Christopher Murray, professeur titulaire d'un poste au Département de chimie de la Faculté des arts et des sciences et au Département de science et génie des matériaux de la Faculté de génie et des sciences appliquées. Cherie Kagan faisait également partie de l'équipe Penn, une chimie, Professeur de MSE et Génie électrique et des systèmes, et les chercheurs postdoctoraux Xingchen Ye, Jun Chen et Guozhong Xing.

Ils ont collaboré avec Sharon Glotzer, professeur de génie chimique au Michigan, et Ju Li, professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires au MIT.

Leurs recherches ont fait la couverture de la revue Chimie de la nature .

"L'excitation dans ce n'est pas dans le motif à chevrons, " Murray a dit, "Il s'agit du couplage de l'expérience et de la modélisation et de la façon dont cette approche nous permet d'aborder un problème très difficile."

Les travaux antérieurs du groupe de Murray se sont concentrés sur la création de nanocristaux et leur organisation 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 de développer « la matière de programmation, " C'est, une méthode pour concevoir de nouveaux matériaux basés sur les propriétés nécessaires pour un travail particulier.

"En ingénierie des interactions à l'échelle nanométrique, " Glotzer a dit, "nous pouvons commencer à assembler des structures cibles d'une grande complexité et fonctionnalité à l'échelle macro."

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.

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 autour 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 purifié les nanocristaux et les a mélangés avec un solvant. Ils étalent ce mélange en couche mince sur un fluide épais, qui soutenait les cristaux tout en leur permettant de se déplacer. 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 losanges 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, au lieu, ils se sont alignés dans un 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 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'ils se sont attachés plus facilement aux bords des points, pensèrent les membres de l'équipe. Étant donné que l'expérience n'offre pas encore de moyen de mesurer le nombre de chaînes d'hydrocarbures sur les côtés de ces particules minuscules, Murray a demandé à Ju Li du MIT de calculer comment les chaînes s'attacheraient aux bords à un niveau de mécanique quantique.

Le groupe de Li a confirmé que, à cause 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."