Des chercheurs du HZB en coopération avec Humboldt-Universitaet zu Berlin ont fait une observation étonnante :ils étudiaient la formation de nanoparticules d'or dans un solvant et ont observé que les nanoparticules ne s'étaient pas réparties uniformément, mais au lieu de cela, ils étaient auto-assemblés en petits groupes.

Ceci a été déterminé en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) à BESSY II. Un examen approfondi au microscope électronique (MET) a confirmé leur résultat. « La recherche sur ce phénomène est maintenant en cours car nous sommes convaincus que de tels nanoclusters se prêtent comme catalyseurs, que ce soit dans les piles à combustible, en fractionnement photocatalytique de l'eau, ou pour d'autres réactions importantes en génie chimique", explique le Dr Armin Hoell de HZB. Les résultats viennent de paraître dans deux revues universitaires internationales à comité de lecture.

"La particularité du nouveau procédé est qu'il est extrêmement simple et fonctionne avec un solvant écologique et peu coûteux", explique le professeur Klaus Rademann de HU Berlin. Le solvant est en fait constitué de deux poudres que l'on s'attendrait plus à trouver en agriculture qu'en laboratoire de recherche :un complément à l'alimentation des poules (chlorure de choline, alias vitamine B), et l'urée. Des collègues britanniques ont découvert il y a quelques années que le mélange des deux poudres forme un liquide transparent capable de dissoudre les oxydes métalliques et les métaux lourds, appelé solvant eutectique profond (DES). Les chercheurs de Berlin se sont ensuite positionnés au-dessus de la feuille d'or solvant qu'ils ont pu bombarder avec des ions de gaz noble afin de détacher des atomes d'or individuels. C'est ainsi que se sont initialement formées des nanoparticules qui se sont réparties dans le solvant.

Deux résultats surprenants :les nanoparticules restent petites et forment des amas

Plus le bombardement (pulvérisation) de la feuille d'or durait, plus les nanoparticules pourraient devenir grosses, raisonnaient les scientifiques. Cependant, ce n'était pas le cas :les particules cessaient de croître à cinq nanomètres. Au lieu, un nombre croissant de nanoparticules se forment sur des temps de pulvérisation plus longs. Deuxième surprise :ces nanoparticules ne se répartissent pas uniformément dans le liquide, mais plutôt auto-assemblés en petits groupes ou grappes pouvant comprendre jusqu'à douze nanoparticules.

Ce genre d'observations ne peut pas être facilement fait au microscope, bien sûr, mais nécessitent à la place un indirect, approche statistique :« En utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles à BESSY II, nous avons non seulement pu constater que les nanoparticules font toutes environ cinq nanomètres de diamètre, mais aussi mesurer quelles sont les séparations entre eux. A partir de ces mesures, nous avons trouvé que les nanoparticules s'organisent en grappes", explique Hoell.

Image cohérente par simulations, diffusion aux petits angles et microscopie électronique

"Nous avons exécuté des modèles informatiques à l'avance sur la façon dont les nanoparticules pourraient se répartir dans la solution pour mieux comprendre les résultats des mesures, puis comparé les résultats de la simulation avec les résultats de la diffusion des rayons X aux petits angles", explique le Dr Vikram Singh Raghuwanshi, qui travaille comme post-doctorant à HU Berlin ainsi qu'à HZB. Une image du microscope électronique à transmission cryogénique que des collègues de HU ont préparé a confirmé leurs découvertes. "Mais nous n'aurions pas pu obtenir ce résultat en utilisant uniquement la microscopie électronique, puisqu'il ne peut afficher que les détails et les coupes de l'échantillon", Hoell a souligné. « La diffusion des rayons X aux petits angles est indispensable pour mesurer les tendances générales et les moyennes ! »

Le solvant est crucial

Il est évident pour les chercheurs que le solvant spécial DES joue un rôle important dans ce processus d'auto-organisation :diverses interactions entre les ions du solvant et les particules d'or aboutissent tout d'abord à des nanoparticules n'atteignant que quelques milliers d'atomes, et deuxièmement qu'ils s'attirent mutuellement quelque peu – mais seulement faiblement – ​​de sorte que les petits amas se forment. "Nous savons, cependant, que ces types de petits amas de nanoparticules sont particulièrement efficaces en tant que catalyseurs pour les réactions chimiques que nous souhaitons :une augmentation de plusieurs fois de la vitesse de réaction due uniquement à la disposition des particules a déjà été démontrée", dit Rademann.

Recherche sur les performances catalytiques prévue

Le Dr Raghuwanshi donnera une conférence sur ces résultats, ainsi qu'un aperçu des approches de recherche en catalyse désormais envisagées, à la conférence internationale, IUCr2014, du 5 au 12 août 2014 à Montréal, Canada.

Dans l'année à venir, HZB sera d'ailleurs l'un des hôtes de la 16e Conférence internationale sur la diffusion aux petits angles, SAS2015.