Les super-réseaux auto-assemblés créent des machines moléculaires avec des charnières et des engrenages
Cette figure montre l'arrangement des nanoparticules dans deux couches voisines du super-réseau, avec des configurations à gauche correspondant à l'état d'équilibre du super-réseau aux conditions ambiantes, et celles de droite enregistrées à la fin du processus de compression du volume. La comparaison des configurations révèle une flexion des ligands et des rotations en forme d'engrenage des nanoparticules, avec les liaisons hydrogène entre les ligands ancrés à des nanoparticules adjacentes servant de « charnières moléculaires ». Crédit :Uzi Landman
Une étude combinée informatique et expérimentale de structures auto-assemblées à base d'argent connues sous le nom de super-réseaux a révélé un comportement inhabituel et inattendu :des réseaux de machines à l'échelle moléculaire ressemblant à des engrenages qui tournent à l'unisson lorsqu'une pression leur est appliquée.
Des études computationnelles et expérimentales montrent que les structures de super-réseau, qui sont auto-assemblés à partir d'amas plus petits de nanoparticules d'argent et de molécules organiques protectrices, se forment en couches avec les liaisons hydrogène entre leurs composants servant de "charnières" pour faciliter la rotation. Le mouvement des "engrenages" est lié à une autre propriété inhabituelle du matériau :une pression accrue sur le super-réseau le ramollit, permettant à la compression ultérieure d'être effectuée avec beaucoup moins de force.
Les matériaux contenant les nanoparticules semblables à des engrenages - chacun composé de près de 500 atomes - pourraient être utiles pour la commutation à l'échelle moléculaire, la détection et même l'absorption d'énergie. La structure complexe du super-réseau est considérée comme l'un des plus gros solides jamais cartographiés en détail à l'aide de techniques combinées de rayons X et de calcul.
« Alors que nous pressons ce matériau, il devient de plus en plus doux et subit soudainement un changement dramatique, " a déclaré Uzi Landman, un professeur de Regents et F.E. Callaway à la School of Physics du Georgia Institute of Technology. "Quand on regarde l'orientation de la structure microscopique du cristal dans la région de cette transition, nous voyons qu'il se passe quelque chose de très inhabituel. Les structures se mettent à tourner les unes par rapport aux autres, créant une machine moléculaire avec certains des plus petits éléments mobiles jamais observés."
Les engrenages tournent jusqu'à 23 degrés, et reviennent à leur position initiale lorsque la pression est relâchée. Les engrenages en couches alternées se déplacent dans des directions opposées, dit Landman, qui est directeur du Center for Computational Materials Science à Georgia Tech.
Soutenu par le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne et le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du Département de l'énergie, la recherche a été publiée le 6 avril dans le journal Matériaux naturels . Des chercheurs de Georgia Tech et de l'Université de Toledo ont collaboré au projet.
La recherche a étudié des structures de super-réseaux composées d'amas avec des noyaux de 44 atomes d'argent chacun. Les amas d'argent sont protégés par 30 molécules de ligand d'un matériau organique – l'acide mercaptobenzoïque (p-MBA) – qui comprennent un groupe acide. Les molécules organiques sont attachées à l'argent par des atomes de soufre.
"Ce ne sont pas les atomes individuels qui forment le super-réseau, " a expliqué Landman. " En fait, vous créez la plus grande structure à partir d'amas qui sont déjà cristallisés. Vous pouvez créer un tableau ordonné à partir de ceux-ci."
