Les matériaux fabriqués à partir de nanoparticules sont prometteurs pour une myriade d'applications, de l'amélioration de la production d'énergie solaire aux écrans tactiles parfaits. Le défi de la création de ces matériaux miracles est d'organiser les nanoparticules dans des arrangements ordonnés.

Nanoparticules de magnétite, le matériau magnétique le plus abondant sur terre, se trouvent dans les organismes vivants, des bactéries aux oiseaux. Les nanocristaux de magnétite s'auto-assemblent en fines aiguilles de boussole dans l'organisme qui l'aident à naviguer.

Collaborant avec des nanochimistes dirigés par Rafal Klajn au Weizmann Institute of Science en Israël, qui ont découvert que les nanocubes de magnétite peuvent s'auto-assembler en superstructures hélicoïdales dans certaines conditions, Le chimiste théoricien de l'Université de l'Illinois à Chicago Petr Kral et ses étudiants ont simulé le phénomène et expliqué les conditions dans lesquelles il peut se produire. L'étude conjointe est en ligne dans Science Express avant l'impression du numéro du 5 septembre de Science .

Les chercheurs de Weizmann ont dissous les nanocristaux et exposé la solution à un champ magnétique externe. Au fur et à mesure que la solution s'évapore, chaînes hélicoïdales de nanoparticules formées. Étonnamment, les hélices en spirale étaient chirales, c'est-à-dire soit pour les gauchers, soit pour les droitiers, malgré le fait que les nanoparticules elles-mêmes ne sont pas chirales. Des assemblages d'hélices densément emballés avaient tendance à adopter la même maniabilité.

L'équipe UIC de Kral a modélisé l'auto-assemblage pour déterminer comment les hélices se sont formées dans les expériences de leurs collaborateurs et pourquoi les hélices avaient une chiralité.

Ils ont découvert que l'auto-assemblage en hélices chirales est le résultat des forces concurrentes agissant sur elles - la force de Zeeman du champ magnétique externe, force magnétique dipôle-dipôle, force directionnelle magnéto-anisotrope, forces de van der Waals faiblement attractives, et d'autres. La chimie des ligands nanoparticulaires, le solvant, et la température peuvent également jouer un rôle.

En présence d'un champ magnétique extérieur, les nanocubes superparamagnétiques - qui sont magnétiques au hasard et peuvent basculer avec les changements de température - sont devenus de minuscules aimants avec différentes symétries des forces concurrentes agissant entre eux. Par conséquent, lorsque deux cubes sont face à face, ils ont tendance à s'incliner l'un par rapport à l'autre, formant un petit angle à droite ou à gauche - la graine d'une hélice chirale, à mesure que de plus en plus de nanocubes s'alignent avec les deux premiers.

L'analyse de Kral a utilisé un algorithme informatique de Monte Carlo, qui repose sur un échantillonnage aléatoire répété, exécuter des simulations plusieurs fois.

"Nous avons dû écrire un nouveau, un code de calcul Monte Carlo efficace décrivant tous les termes nécessaires, toutes les valeurs, puis expliquer comment se produit le comportement très inhabituel que Klajn a observé - l'auto-assemblage des hélices, " dit Kral.