Lors du recuit au solvant, les supramolécules fabriquées à partir de nanoparticules d'or et de copolymères séquencés s'auto-assembleront en films minces hautement ordonnés en une minute. Crédit :Ting Xu, Laboratoire de Berkeley/UC Berkeley
L'époque où les nanoparticules auto-assemblées prenaient des heures pour former un film sur une plaquette de taille microscopique est révolue. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) ont mis au point une technique par laquelle des réseaux de nanoparticules auto-assemblés peuvent former un film mince hautement ordonné sur des distances macroscopiques en une minute.
Ting Xu, un scientifique des polymères à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a dirigé une étude dans laquelle des supramolécules à base de copolymères séquencés ont été combinées avec des nanoparticules d'or pour créer des nanocomposites qui, sous recuit au solvant, se sont rapidement auto-assemblés en films minces à structure hiérarchique couvrant une surface de plusieurs centimètres carrés. La technique est compatible avec les procédés de nanofabrication actuels et a le potentiel de générer de nouvelles familles de revêtements optiques pour des applications dans un grand nombre de domaines, notamment l'énergie solaire, nanoélectronique et stockage de mémoire informatique. Cette technique pourrait même ouvrir de nouvelles voies à la fabrication de métamatériaux, nanoconstructions artificielles possédant des propriétés optiques remarquables.
"Notre technique peut générer rapidement des assemblages de nanoparticules étonnants sur des zones aussi grandes qu'une plaquette de silicium, " dit Xu, qui détient également une nomination conjointe avec les départements des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie (UC) Berkeley, et Chimie. "Vous pouvez le considérer comme une pâte à crêpes que vous pouvez étaler sur une plaque chauffante, attendez une minute et vous avez une crêpe prête à manger."
Xu est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans Communication Nature intitulé "Fabrication rapide de films minces nanocomposites supramoléculaires à structure hiérarchique en une minute." Les co-auteurs sont Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang et Cheng Sun.
Les nanoparticules fonctionnent comme des atomes artificiels avec une optique unique, propriétés électriques et mécaniques. Si les nanoparticules peuvent être amenées à s'auto-assembler en structures complexes et en motifs hiérarchiques, semblable à ce que la nature fait avec les protéines, il permettrait de produire en série des appareils mille fois plus petits que ceux utilisés dans la microtechnique d'aujourd'hui.
Xu et son groupe de recherche n'ont cessé de progresser vers cet objectif ultime. Plus récemment, ils se sont concentrés sur l'utilisation de solutions supramoléculaires à base de copolymères séquencés pour diriger l'auto-assemblage de réseaux de nanoparticules. Une supramolécule est un groupe de molécules qui agissent comme une seule molécule capable de remplir un ensemble spécifique de fonctions. Les copolymères séquencés sont de longues séquences ou « blocs » d'un type de monomère lié à des blocs d'un autre type de monomère qui ont une capacité innée à s'auto-assembler en des réseaux bien définis de structures de taille nanométrique sur des distances macroscopiques.
Cette image de phase AFM montre un film mince nanocomposite de 50 nm dans des tranchées à motifs lithographiques qui ont formé des réseaux de nanoparticules unidirectionnelles sur des distances macroscopiques en un peu plus d'une minute. Les points circulaires brillants représentent les nanoparticules d'or de 5 nm comme illustré par le schéma. Crédit :Ting Xu, Laboratoire de Berkeley/UC Berkeley
"Les supramolécules à base de copolymères blocs s'auto-assemblent et forment une large gamme de morphologies qui présentent des microdomaines généralement de quelques dizaines de nanomètres, " dit Xu. " Comme leur taille est comparable à celle des nanoparticules, les microdomaines des supramolécules fournissent un cadre structurel idéal pour l'auto-assemblage de réseaux de nanoparticules."
Dans la technique supramoléculaire conçue par Xu et ses collègues, des réseaux de nanoparticules d'or ont été incorporés dans des solutions de supramolécules pour former des films d'environ 200 nanomètres d'épaisseur. Par recuit au solvant, en utilisant le chloroforme comme solvant, les réseaux de nanoparticules organisés en microdomaines cylindriques tridimensionnels qui ont été emballés dans des réseaux hexagonaux déformés dans une orientation parallèle avec la surface. Cet affichage de contrôle structurel hiérarchique dans l'auto-assemblage de nanoparticules était impressionnant mais n'était que la moitié du jeu.
« Pour être compatible avec les procédés de nanofabrication, le processus de fabrication de l'auto-assemblage doit également être achevé en quelques minutes pour minimiser toute dégradation des propriétés des nanoparticules causée par l'exposition à l'environnement de traitement, " dit Xu.
Elle et son groupe ont systématiquement analysé la thermodynamique et la cinétique de l'auto-assemblage dans leurs films minces nanocomposites supramoléculaires lors de l'exposition à la vapeur de solvant. Ils ont découvert qu'en optimisant un seul paramètre, la quantité de solvant, la cinétique d'assemblage pourrait être adaptée avec précision pour produire des films minces à structure hiérarchique en une seule minute.
"En construisant nos supramolécules à base de copolymères séquencés à partir de petites molécules attachées de manière non covalente aux chaînes latérales du polymère, nous avons modifié le paysage énergétique pour que la teneur en solvants devienne le facteur le plus important, " dit Xu. " Cela nous a permis d'obtenir une commande rapide des réseaux de nanoparticules avec l'ajout d'une très petite quantité de solvant, environ 30 pour cent de la fraction d'un film de 200 nanomètres d'épaisseur."
Les propriétés optiques des films minces nanocomposites dépendent des propriétés des nanoparticules individuelles et de distances interparticulaires bien définies dans différentes directions. Étant donné que les dimensions des réseaux de nanoparticules d'or sont au moins un ordre de grandeur plus petites que les longueurs d'onde de la lumière visible, la technique supramoléculaire de Xu et de ses collègues a un fort potentiel pour être utilisée pour fabriquer des métamatériaux. Ces matériaux artificiels ont suscité beaucoup d'attention ces dernières années car leurs propriétés électromagnétiques sont inaccessibles dans les matériaux naturels. Par exemple, un métamatériau peut avoir un indice de réfraction négatif, la capacité de plier la lumière vers l'arrière, contrairement à tous les matériaux trouvés dans la nature, qui penchent la lumière vers l'avant.
"Nos films minces nanocomposites d'or présentent une forte anisotropie optique dépendante de la longueur d'onde qui peut être adaptée simplement en faisant varier le traitement au solvant, " dit Xu. "Cela présente une alternative viable à la lithographie pour la fabrication de métamatériaux."
Alors que Xu et ses collègues utilisaient des nanoparticules d'or dans leurs films, l'approche supramoléculaire est également compatible avec les nanoparticules d'autres compositions chimiques.
"Nous devrions être en mesure de créer une bibliothèque d'assemblages de nanoparticules conçus pour la manipulation de la lumière et d'autres propriétés, " Xu dit, "en utilisant une technique compatible avec les procédés de nanofabrication les plus utilisés aujourd'hui, y compris le revêtement de la lame, impression jet d'encre et recuit de zone dynamique."
