Simulation d'auto-assemblage piloté par rétroaction dans une ligne d'assemblage de masse. Le réseau incliné indique un écoulement aqueux dans l'espace (réservoir bleu). Le potentiel mesuré par plasmon (rouge) dissocie phothermiquement les assemblages indésirables et se réassemble en les dimères souhaités.
(Phys.org) - Si vous pouvez briser uniformément la symétrie des paires de nanotiges dans une solution colloïdale, vous avez une longueur d'avance sur l'obtention de propriétés métamatérielles nouvelles et passionnantes. Mais l'assemblage colloïdal thermodynamique traditionnel de ces métamatériaux, qui sont des matériaux définis par leurs propriétés non naturelles, aboutissent souvent à des structures avec un degré élevé de symétries dans le matériau en vrac. Dans ce cas, le besoin énergétique ne permet pas à la structure de rompre sa symétrie.
Dans une étude dirigée par Xiang Zhang, directeur de la division Sciences des matériaux du Berkeley Lab, lui et son groupe de recherche à l'Université de Californie (UC) Berkeley ont réussi pour la première fois à briser la symétrie dans une solution de métamatériau en vrac. Zhang et son groupe ont démontré des métamatériaux optiques auto-assemblés avec des symétries brisées adaptées et donc des réponses électromagnétiques uniques qui peuvent être obtenues via leur nouvelle méthode. Les résultats ont été publiés dans Nature Nanotechnologie . L'article s'intitule "Auto-assemblage par rétroaction de métamatériaux optiques à rupture de symétrie en solution".
"Nous avons développé une voie d'auto-assemblage innovante qui pourrait dépasser la limite thermodynamique conventionnelle dans les systèmes de synthèse chimique" explique Sui Yang, auteur principal de l'article de Nature Nanotechnology et membre du groupe de recherche de Zhang. "Spécifiquement, nous utilisons la propre propriété du matériau comme mécanisme de rétroaction d'autocorrection pour déterminer lui-même la structure finale."
Cela a conduit le groupe à produire des nanostructures historiquement considérées comme impossibles à assembler.
La méthode de synthèse de métamatériaux largement utilisée est la fabrication descendante telle que la lithographie par faisceau d'électrons ou par faisceau d'ions focalisés qui aboutit souvent à des métamatériaux fortement anisotropes et à petite échelle.
"Les gens construisent des métamatériaux en utilisant des méthodes descendantes qui incluent l'exposition à la lumière et l'exposition aux faisceaux d'électrons, qui sont inefficaces et coûteux, " dit Xingjie Ni, un autre auteur principal sur le papier. « Si nous voulons utiliser des métamatériaux, nous devons développer un moyen de les construire à moindre coût et efficacement. »
L'itinéraire ascendant remplit ces exigences. A partir d'une solution de nanotiges colloïdales, Yang et Ni se sont appuyés sur la technique d'auto-assemblage commune utilisée pour construire des nanoparticules. La tournure qu'ils ont ajoutée était d'introduire un mécanisme de rétroaction permettant d'obtenir le produit souhaité.
Le produit recherché lors de la synthèse de nanotiges d'or colloïdal, qui se stabilisent au cours de la croissance pour obtenir un collage préférentiel le long des facettes longitudinales, est des paires de tiges, ou dimères, décalés d'un certain montant :leur symétrie est uniformément brisée.
"Quand tu as cette réaction, vous obtenez toutes sortes de produits. Vous avez une paire de nanotiges sans aucun décalage l'une par rapport à l'autre ; ou une paire trop décalée; ou pas assez. C'est un processus typique et est régi par la thermodynamique, " explique Yang.
L'équipe a utilisé un laser pour exciter la résonance plasmonique de particules spécifiques produites lors de la réaction. Cela leur a permis de séparer les résonances indésirables, indiquant les paires de nanotiges qui ne sont pas décalées de la quantité souhaitée, et dissocier ces paires en utilisant la chaleur de l'excitation.
"Seule la résonance désirée survit dans ce processus, " Ni dit. " Ensuite, la réaction peut être répétée pour produire plus du désiré, particules à symétrie brisée en fonction de leur signature plasmonique. Une distinction claire des profils de résonance en fait une méthode hautement sélective.
« Il s'agit d'une toute nouvelle méthode de fabrication par auto-assemblage que les gens peuvent couramment utiliser :nous utilisons les propriétés propres du matériau pour entraîner la formation de nanostructures en solution. Cela a la valeur intrinsèque de fabriquer de nombreuses structures en un seul lot. »
La méthode développée dans le groupe de recherche de Zhang peut être appliquée à de nombreuses autres nanoparticules; En effet, presque toutes les structures pouvant s'auto-assembler pourraient être produites de cette manière. Cela résout le problème de la réalisation d'une coupure symétrique à grande échelle, et peut ouvrir la porte à de nouvelles propriétés et applications.
Le mécanisme de rétroaction unique conduit à des nanostructures contrôlées avec précision avec des symétries et des fonctionnalités au-delà des classiques.
« En guise de démonstration dans notre journal, nous avons synthétisé une nouvelle classe de métamatériaux optiques à rupture de symétrie qui ont des réponses électromagnétiques isotropes et peuvent être utilisés dans un certain nombre d'applications importantes, telles que l'imagerie sous-longueur d'onde, masquage et détection optiques, " dit Yang.
"Contrairement à l'idée reçue selon laquelle la structure d'un matériau détermine ses propriétés, nous suggérons de manière provocatrice que les propriétés physiques des matériaux, intentionnellement, peut dicter l'évolution de l'auto-assemblage et autodéterminer les structures des matériaux en vrac. » conclut Zhang.
