A :Un schéma de la méthode de synthèse de copolymère séquencé qui comprend l'auto-assemblage de nanoparticules d'or et de platine. B. Structure moléculaire du copolymère séquencé utilisé. C. Structure moléculaire des ligands stabilisants attachés à l'or et au platine. D. Données de chromatographie d'exclusion stérique pour différentes étapes de synthèse de polymère. Crédit :groupe Wiesner
Depuis près de deux décennies, Les scientifiques de Cornell ont développé des procédés d'utilisation de polymères pour auto-assembler des nanoparticules inorganiques en structures poreuses qui pourraient révolutionner l'électronique, énergie et plus encore.
Ce processus a maintenant été poussé à un niveau de précision sans précédent à l'aide de nanoparticules métalliques, et est soutenu par une analyse rigoureuse des détails théoriques derrière pourquoi et comment ces particules s'assemblent avec des polymères. Une telle compréhension approfondie de l'interaction complexe entre la chimie et la physique qui conduisent à l'auto-assemblage complexe ouvre la voie à ces nouveaux matériaux pour entrer dans de nombreuses applications, de l'électrocatalyse dans les piles à combustible à la conductance de tension dans les circuits.
Ulrich Wiesner, le professeur Spencer T. Olin des matériaux Science et Ingénierie, a mené ce qui est probablement l'étude la plus complète à ce jour sur les processus d'auto-assemblage de nanoparticules de copolymère séquencé. L'étude a été publiée en ligne le 21 février dans Communication Nature .
De l'exterieur, le processus semble assez simple. Commencez avec des particules de platine et d'or qui se développent à partir d'un précurseur. Un produit chimique appelé ligand recouvre les particules et contrôle précisément leur taille. Ajoutez à cela des molécules conçues appelées copolymères séquencés – de longues chaînes de deux ou trois matériaux organiques. Les polymères se combinent avec les nanoparticules de platine et d'or, qui s'assemblent tous en ordre, cubique, structures tridimensionnelles. Décaper le polymère, et ce qui reste, ce sont des dizaines de nanoparticules formant des réseaux cubiques 3D poreux.
La microscopie électronique à transmission montre des réseaux de nanoparticules métalliques suite à l'élimination du copolymère qui a agi comme un échafaudage structurel pour les particules. Crédit :groupe Wiesner
Chaque étape - de la structure exacte des ligands, à la synthèse des polymères – nécessite une chimie précise et une compréhension fine du rôle de chaque matériau. L'analyse de Nature Communications s'est appuyée sur l'expertise de collaborateurs en tomographie électronique, microscopie à dispersion d'énergie et théorie de la percolation. Par exemple, des collaborateurs de l'Agence japonaise pour la science et la technologie ont utilisé la tomographie électronique pour cartographier l'emplacement de chaque particule dans les échantillons, qui pourraient alors être comparés aux prédictions théoriques. Le résultat est un ensemble complet de critères de conception qui pourraient conduire à préparer ces réseaux de particules pour un traitement de solution à plus grande échelle.
"Non seulement pouvons-nous fabriquer ces matériaux, mais par la tomographie électronique notamment, nous pouvons analyser ces structures à une profondeur qui n'a tout simplement pas été faite auparavant, " Wiesner a déclaré. "La comparaison avec la théorie nous permet de comprendre pleinement les mécanismes physiques par lesquels ces structures sont formées."
Pourquoi porter une telle attention à ces réseaux de nanoparticules auto-assemblés ? Ils sont fabriqués d'une manière qui ne se produirait jamais dans la nature ou par des moyens de laboratoire conventionnels. Ils sont uniformément poreux avec une surface élevée et, donc, sont hautement catalytiques et potentiellement utiles pour les applications énergétiques.
Peut-être le meilleur de tous, travailler avec des polymères est rentable, le traitement à grande échelle pourrait être un jeu d'enfant.
Reconstruction par tomographie électronique de nanoparticules de platine (rouge) dans des structures en réseau, par rapport aux résultats de la théorie des champs auto-cohérents (bleu). Crédit :groupe Wiesner
Plusieurs décennies de science des polymères ont donné au monde une évolutivité efficace inégalée dans le monde des matériaux - pensez à la production de plastiques. Wiesner et ses collègues ont prouvé le concept de nanoparticules métalliques auto-assemblées à l'aide d'un traitement de solution à base de copolymère séquencé qui va au-delà du « flacon de verre dans un laboratoire, " a déclaré Wiesner.
"Maintenant que nous comprenons comment tout cela fonctionne, notre procédé se prête facilement à la production à plus grande échelle de tels matériaux, " il a dit.
