(Phys.org) — Les chercheurs ont longtemps pensé que les molécules biologiques et les nanocristaux synthétiques n'étaient similaires que par leur taille. Maintenant, Les chimistes de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont découvert qu'ils pouvaient ajouter de la réactivité à la liste des traits communs. Les atomes d'un nanocristal peuvent coopérer les uns avec les autres pour faciliter la liaison ou la commutation, un phénomène largement présent dans les molécules biologiques.

Cette découverte pourrait catalyser la fabrication de nanocristaux pour capteurs intelligents, cellules solaires, minuscules transistors pour ordinateurs optiques, et l'imagerie médicale. Dirigé par le professeur de chimie Prashant Jain, l'équipe a publié ses conclusions dans la revue Communication Nature .

« En géologie, environnements industriels et domestiques, les grains nanométriques de tout matériau subissent des transitions chimiques lorsqu'ils sont mis en conditions réactives, " Jain a dit. " La rouille du fer au fil du temps et la formation de diamant à partir du carbone sont des exemples de deux transitions courantes. Comprendre comment ces transitions se produisent à l'échelle des plus petits grains du matériau est une motivation majeure de notre travail."

Les scientifiques peuvent exploiter ces transitions pour fabriquer des nanocristaux conformes à une structure particulière. Ils peuvent fabriquer un nanocristal d'un matériau et le transformer en un autre matériau, essentiellement en utilisant le cadre de nanocristal d'origine comme modèle pour créer un nanocristal du nouveau matériau avec la même taille et la même forme. Cela permet aux chercheurs de créer des nanocristaux de nouveaux matériaux dans des formes et des structures qu'ils ne pourraient peut-être pas autrement.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont transformé de minuscules cristaux de séléniure de cadmium en cristaux de séléniure de cuivre. Les nanocristaux de séléniure de cuivre ont un certain nombre de propriétés intéressantes qui peuvent être utilisées pour la récupération d'énergie solaire, informatique optique et chirurgie laser. La transformation du séléniure de cadmium crée des nanocristaux d'une pureté difficile à atteindre avec d'autres méthodes.

Les chercheurs, dont l'étudiante diplômée Sarah White, utilisé des techniques avancées de microscopie et de spectroscopie pour déterminer la dynamique des atomes dans les cristaux pendant la transformation et a constaté que la transformation ne se produit pas comme un processus de diffusion lent, mais comme une commutation rapide grâce à la coopération.

Les chercheurs ont constaté qu'une fois que le nanocristal de séléniure de cadmium a absorbé quelques impuretés initiales de "graine" de cuivre, les atomes dans le reste du réseau peuvent coopérer pour échanger rapidement le reste du cadmium contre du cuivre. Jain compare les cristaux à l'hémoglobine, la molécule dans les globules rouges qui transporte l'oxygène. Une fois qu'une molécule d'oxygène s'est liée à l'hémoglobine, d'autres sites de liaison au sein de l'hémoglobine changent légèrement de conformation pour capter plus facilement plus d'oxygène. Il pose que de même, les impuretés de cuivre pourraient provoquer un changement structurel dans le nanocristal, ce qui permet à plus d'ions de cuivre de s'infiltrer plus facilement dans le nanocristal dans une cascade rapide.

Les chercheurs ont reproduit l'expérience avec de l'argent, en plus du cuivre, et j'ai vu pareil, bien que légèrement moins rapide, comportement coopératif.

Maintenant, L'équipe de Jain utilise son imagerie avancée pour observer les transitions se produire dans des nanocristaux uniques, en temps réel.

"Nous avons un microscope optique sophistiqué dans notre laboratoire, qui nous a maintenant permis d'attraper un seul nanocristal en train de faire une transition, " a déclaré Jain. "Cela nous permet d'apprendre des détails cachés sur la façon dont la transition se déroule réellement. Nous apprenons également comment un nanocristal se comporte différemment d'un autre."

Prochain, les chercheurs prévoient d'explorer les phénomènes coopératifs de type biomolécule dans d'autres matériaux et processus à l'état solide. Par exemple, la coopération dans les procédés catalytiques pourrait avoir des implications majeures pour l'énergie solaire ou la fabrication de produits chimiques spécialisés coûteux.

"À long terme, nous sommes intéressés à exploiter le comportement coopératif pour concevoir des matériaux artificiels intelligents qui réagissent comme le fait l'hémoglobine dans notre corps, " dit Jain.